Courtois kom igennem Genks ungdomssystem, og i en alder af 18 år spillede han en central rolle i holdets sejr i den belgiske Pro League. I juli 2011 sluttede han sig til Chelsea for en rapporteret £ 8 millioner, og blev straks udlånt til Atlético Madrid. I tre sæsoner der, vandt han Europa League i 2012,
Copa del Rey i 2013 og La Liga-titlen i 2014. Han vandt også Ricardo Zamora Trophy for bedste målmand i La Liga, for hans præstationer i hans to sidste sæsoner. Courtois vendte tilbage til Chelsea i juli 2014, og i sin første sæson hjalp han dem med at vinde League Cup og Premier League-titlen. To år senere vandt han Premier League Golden Glove, da Chelsea igen vandt ligaen. I 2018 signerede Real Madrid Courtois for 35 millioner pund og blev La Liga's dyreste målmand, der overgik rekorden fra Jan Oblak. Han vandt en anden La Liga titel og en tredje Zamora trofæ i 2020.