De verdediger kende bij Ajax een succesvolle periode. De Belg maakte in 2006 zijn debuut voor Ajax in de Eredivisie tegen Willem II: 6-0. Hij werd tweemaal landskampioen met Ajax en won één keer de KNVB Beker.
Vertonghen werd daarnaast in zijn Ajax periode zowel uitgeroepen tot Talent van het Jaar als Speler van het Jaar en in 2012 kreeg hij ook nog de Gouden Schoen voor 'beste speler van de Eredivisie'. In totaal speelde hij 220 wedstrijden voor Ajax.