2009年夏天，有傳聞指英超俱樂部阿森納對托馬斯·費爾馬倫有興趣，但阿森納球探託尼·亞當斯隨即否認他是阿森納的轉會目標，並表示托馬斯·費爾馬倫不適合阿森納，但在隨後的2009年6月20日，阿森納俱樂部在其官方網站宣佈了2009年夏天俱樂部的首筆也是唯一一筆簽約正式完成，在接受隊醫體檢之後，阿賈克斯隊長托馬斯·費爾馬倫正式加盟兵工廠，雙方將簽署一份長期合同，不過俱樂部並未透露合同年限和具體的轉會費，費爾馬倫的身價在1000萬英鎊左右 。2009-10賽季，身披5號球衣的托馬斯·費爾馬倫在阿森納的第一場聯賽中第一次上場就射進一球，槍迷稱他為“藥水”。在利物浦與凱爾特人一戰，費爾馬倫的防守做到滴水不漏，賽後被天空體育打了9分的全場最高分，評語為“超級表現”。作為中衛，托馬斯·費爾馬倫進球能力讓人驚訝，他那強悍的搶點和精準的左腳，讓費爾馬倫甚至一度在阿森納隊內成為頭號射手。2009-10賽季，費爾馬倫在聯賽中打入7球，其中前三輪更是三場打入四球；在歐冠比賽中也打入一球，共收穫8粒進球，成為世界最強“帶刀侍衛”，並且入選當季的最佳陣容。在第一個賽季後，緊接的2010-11賽季很不幸，在打了幾場聯賽後費爾馬倫一直處於腳後跟受傷狀態，甚至進行了手術，直到最後三輪聯賽才傷愈復出，狀態也未發揮出來。2010-11賽季，費爾馬倫只為阿森納隊在聯賽中出場5次 。2011-12賽季，第一輪對陣紐卡斯爾聯的比賽中，費爾馬倫神級的表現讓阿森納大門保持不失，可沒想到不久後阿森納副隊長維爾馬倫再次受傷，這次傷病長達一個月。但幸運的是費爾馬倫在賽季第二次對陣紐卡斯爾聯的比賽中宣佈傷愈復出，用最後一分鐘的進球幫助球隊2-1絕殺對手。同時，費爾馬倫與日漸成熟的勞倫特·科斯切爾尼的搭檔成為了槍手最令人放心的後防組合之一。2012-13賽季，在羅賓·范佩西的離開阿森納之後，費爾馬倫戴上了隊長袖標 ，但對經常受傷的費爾馬倫來說這不是一個美好的賽季。在對陣布拉德福德的聯賽盃中，費爾馬倫雖然在常規時間的最後時刻幫助球隊扳平比分，但是點球決戰中他的射門打上立柱，讓阿森納又失去了一次染指冠軍的機會。而聯賽中對曼城和利物浦的接連犯錯，更是將自己推到了風口浪尖。在聯賽失誤榜上，他在1710分鐘的上場時間裡，重大失誤5次，3次導致對方射門，2次直接導致失球。2013-14賽季，基本擺脫傷病困擾的費爾馬倫雖然有14次聯賽登場並收穫1個進球，但是都是在科斯切爾尼、默特薩克、吉布斯等主力後防球員受傷時才去補漏。好在11月對曼聯客場比賽，阿森納眾多球員突染流感讓費爾馬倫在216天后首次首發，在整個球隊陷入超高失誤率的低迷氛圍中時，費爾馬倫10次解圍、6次搶斷、7次攔截和5次關鍵封堵，爭頂成功率也高達66.7%，5項防守資料都位居全隊首位。在進攻上，費爾馬倫極其活躍，不僅有2次頗具威脅的攻門，還在曼聯前場送出了4次有威脅傳球，在下半賽季爭得一席半主力位置。
2009年夏天，有傳聞指英超俱樂部阿森納對托馬斯·費爾馬倫有興趣，但阿森納球探託尼·亞當斯隨即否認他是阿森納的轉會目標，並表示托馬斯·費爾馬倫不適合阿森納，但在隨後的2009年6月20日，阿森納俱樂部在其官方網站宣佈了2009年夏天俱樂部的首筆也是唯一一筆簽約正式完成，在接受隊醫體檢之後，阿賈克斯隊長托馬斯·費爾馬倫正式加盟兵工廠，雙方將簽署一份長期合同，不過俱樂部並未透露合同年限和具體的轉會費，費爾馬倫的身價在1000萬英鎊左右 。2009-10賽季，身披5號球衣的托馬斯·費爾馬倫在阿森納的第一場聯賽中第一次上場就射進一球，槍迷稱他為“藥水”。在利物浦與凱爾特人一戰，費爾馬倫的防守做到滴水不漏，賽後被天空體育打了9分的全場最高分，評語為“超級表現”。作為中衛，托馬斯·費爾馬倫進球能力讓人驚訝，他那強悍的搶點和精準的左腳，讓費爾馬倫甚至一度在阿森納隊內成為頭號射手。2009-10賽季，費爾馬倫在聯賽中打入7球，其中前三輪更是三場打入四球；在歐冠比賽中也打入一球，共收穫8粒進球，成為世界最強“帶刀侍衛”，並且入選當季的最佳陣容。在第一個賽季後，緊接的2010-11賽季很不幸，在打了幾場聯賽後費爾馬倫一直處於腳後跟受傷狀態，甚至進行了手術，直到最後三輪聯賽才傷愈復出，狀態也未發揮出來。2010-11賽季，費爾馬倫只為阿森納隊在聯賽中出場5次 。2011-12賽季，第一輪對陣紐卡斯爾聯的比賽中，費爾馬倫神級的表現讓阿森納大門保持不失，可沒想到不久後阿森納副隊長維爾馬倫再次受傷，這次傷病長達一個月。但幸運的是費爾馬倫在賽季第二次對陣紐卡斯爾聯的比賽中宣佈傷愈復出，用最後一分鐘的進球幫助球隊2-1絕殺對手。同時，費爾馬倫與日漸成熟的勞倫特·科斯切爾尼的搭檔成為了槍手最令人放心的後防組合之一。2012-13賽季，在羅賓·范佩西的離開阿森納之後，費爾馬倫戴上了隊長袖標 ，但對經常受傷的費爾馬倫來說這不是一個美好的賽季。在對陣布拉德福德的聯賽盃中，費爾馬倫雖然在常規時間的最後時刻幫助球隊扳平比分，但是點球決戰中他的射門打上立柱，讓阿森納又失去了一次染指冠軍的機會。而聯賽中對曼城和利物浦的接連犯錯，更是將自己推到了風口浪尖。在聯賽失誤榜上，他在1710分鐘的上場時間裡，重大失誤5次，3次導致對方射門，2次直接導致失球。2013-14賽季，基本擺脫傷病困擾的費爾馬倫雖然有14次聯賽登場並收穫1個進球，但是都是在科斯切爾尼、默特薩克、吉布斯等主力後防球員受傷時才去補漏。好在11月對曼聯客場比賽，阿森納眾多球員突染流感讓費爾馬倫在216天后首次首發，在整個球隊陷入超高失誤率的低迷氛圍中時，費爾馬倫10次解圍、6次搶斷、7次攔截和5次關鍵封堵，爭頂成功率也高達66.7%，5項防守資料都位居全隊首位。在進攻上，費爾馬倫極其活躍，不僅有2次頗具威脅的攻門，還在曼聯前場送出了4次有威脅傳球，在下半賽季爭得一席半主力位置。