2 października 2013 w meczu z Olympiakosem (0:3), zadebiutował w Lidze Mistrzów i stał się najmłodszym belgijskim piłkarzem w historii, który wystąpił w tych rozgrywkach. Tielemans miał wtedy 16 lat i 148 dni. 6 kwietnia 2014, podczas wygranego 3:0, meczu Eerste klasse, z Club Brugge, strzelił swoją debiutancką bramkę dla Anderlechtu. W sezonie 2013/14 zagrał w 29 ligowych meczach, z czego w 21 w podstawowym składzie, strzelił 1 bramkę, zanotował 6 asysty i zdobył z Anderlechtem mistrzostwo Belgii. W dwóch pierwszych sezonach zdobywał także nagrodę najlepszego młodego piłkarza w Belgii. W sezonie 2016/17 po raz drugi zdobył z Anderlechtem mistrzostwo Belgii. Łącznie w barwach Anderlechtu, Tielemans, rozegrał 185 spotkań, w których strzelił 35 goli i zanotował 31 asyst.
24 maja 2017 podpisał pięcioletni kontrakt z AS Monaco. Kwota transferu wyniosła klub z Księstwa, 25 mln euro.
14 lipca 2026 roku podpisał pięcioletni kontrakt z Manchesterem United.