W drugim meczu drugiego sezonu w Barcelonie 29 sierpnia 2015 Vermaelen strzelił swojego pierwszego gola dla klubu, wykańczając sytuację po dośrodkowaniu z rzutu rożnego, w wygranym pojedynku z Málagą. Został później pochwalony przez trenera Luisa Enrique. Vermaelen był zmiennikiem Javiera Mascherano, wszedł w 81. minucie meczu 20 grudnia, gdy Barcelona wygrała finał Klubowych Mistrzostw Świata w 2015 roku przeciwko River Plate w Japonii.
AS Roma (wypożyczenie) 8 sierpnia 2016 r. Barcelona wypożyczyłą Vermaelena na rok do Romy z opcją zakupu. 18 sierpnia 2016 Vermaelen zadebiutował w klubie z Rzymu w barażach kwalifikacyjnych do Ligi Mistrzów przeciwko FC Porto i został wyrzucony z boiska za dwa przewinienia po których otrzymał dwie żółte kartki, co zamieniło się w czerwoną kartkę. Vermaelen zszedł zaledwie po 41. minutach gry.
Podczas swojego pobytu w klubie Vermaelen zagrał tylko 607 minut z powodu kontuzji i wrócił do Barcelony pod koniec sezonu.