Menedżer Arsène Wenger nazwał go skałą defensywy, a jego współpraca z Laurentem Koscielnym nasiliła się, umożliwiając Arsenalowi budowanie defensywy.
2012-13 W sierpniu 2012, Vermaelen został ogłoszony nowym kapitanem Arsenalu, zastępując Robina van Persiego, który odszedł do Manchesteru United.
11 grudnia 2012, Vermaelen nie trafił decydującego rzutu karnego w przegranym meczu w Pucharze Ligi, uderzając w słupek. Vermaelen strzelił wyrównującego gola Arsenalu w podstawowym czasie gry tego meczu. Jednak kiepsko radził sobie w trakcie sezonu, zwłaszcza w meczu z Manchesterem City i Liverpoolem.
Występy Vermaelena zmusiły Arsène'a Wengera do rezygnacji z niego i nie brał udziału w kluczowym meczu Ligi Mistrzów przeciwko Bayernowi Monachium na Allianz Arena. Arsenal wygrał 0-2, choć to nie wystarczyło, by awansować do kolejnej rundy. Natomiast był on pierwszym zespołem, który uniemożliwił Bayernowi zdobycie gola w tym sezonie, dzięki zapewnionej grze defensywy i rezerwowego bramkarza Łukasza Fabiańskiego. Per Mertesacker i Laurent Koscielny utworzyli świetną współpracę jako środkowi obrońcy w kolejnych meczach, aż do czerwonej kartki Mertesackera w meczu z West Bromwich Albion. 6 kwietnia 2013 trener dał Vermaelenowi szansę na powrót do drużyny. Arsenal utrzymał zwycięstwo 1-2.