Courtois gekk í gegnum unglingakerfið hjá Genk og 18 ára gamall lék hann lykilhlutverk í sigur liðsins í belgískri Pro League. Í júlí 2011 gekk hann til liðs við Chelsea fyrir 8 milljónir punda og var strax lánaður til Atlético Madrid. Á þremur tímabilum vann hann Evrópudeildina árið 2012, Copa del Rey
2013 og La Liga titilinn árið 2014. Hann vann einnig Ricardo Zamora Trophy fyrir besta markvörðinn í La Liga, fyrir frammistöðu sína á tveimur síðari tímabilum sínum. Courtois sneri aftur til Chelsea í júlí 2014 og í fyrsta tímabili sínu hjálpaði hann þeim að vinna deildarbikarinn og Premier League titilinn. Tveimur árum síðar vann hann Premier League Golden Glove þegar Chelsea vann deildina aftur. Árið 2018 skrifaði Real Madrid undir Courtois fyrir 35 milljónir punda og varð dýrasti markvörður La Liga og náði því metinu sem Jan Oblak setti. Hann vann annað La Liga titil og þriðja Zamora bikar árið 2020.