Toprak, futbola yerel takımlardan TSB Ravensburg'un altyapısında başladı. Daha sonra ise rakip takım olan FV Ravensburg'a geçti. 2005'te SC Freiburg'a geçerek uzun süreli Freiburg kariyerine başladı. 2 yıllık altyapı kariyerinden sonra 2007'de profesyonel sözleşme imzaladı. 2007 yılında Freiburg'un U-19 takımında oynamaya başladı. O yıl Freiburg II ile ilk kez 4. Lig seviyesindeki Oberliga'da bir maça çıktı.

2007-08 sezonunda hem U-19 hem de rezerv takımda forma giydi. Toprak'lı 19 takımı grubunda ikinci olup, finallere kaldı ve U-19 lig şampiyonu oldu. Toprak, final dahil bütün play-off maçlarında 90 dakika forma giymişti. Aynı sezon Oberliga'daki SC Freiburg II ile de 22 maça çıktı. Freiburg, sezonu şampiyonlukla bitirip, Regionalliga'ya yükseldi. Ömer Toprak da böylece bir sezon içinde iki şampiyonluk yaşamış oldu. O sezon ilk kez A takımda ilk 18'e girse de forma giyemedi.

2008-09 sezonunda Toprak, 2. Bundesliga'da oynayan A takıma yükseldi. Freiburg'la ilk maçına 22 Ağustos 2008'de VfL Osnabrück karşısında çıktı. 34 maçın 30'unda forma giyen Toprak, defans oyuncusu olmasına rağmen 4 gol 1 asistle oynadı. Bu performansı ile bir şampiyonluk da 2. Bundesliga'da gördü ve birinci lig olan Bundesliga'ya yükseldiler. Kariyerinde ilk kez Almanya Kupası'nda da forma giyen Toprak, bir maç da Regionalliga'daki SC Freiburg II'da oynadı.

9 Haziran 2009'da Freiburg'da karting yaparken başka bir araca çarpan Toprak'ın arabasının yakıt tankı alev aldı. Vücudunda yanıklar oluşan Toprak, aylarca futbol oynayamadı. Kariyeri tehlikeye giren Toprak, başarılı tedavi sonucu iyileşti. 6 Ocak 2010'da İspanyol takımı FC Elche ile oynanan hazırlık maçıyla sahalara geri döndü. 16 Ocak 2010'da Hamburger SV ile oynanan lig maçında 65. dakikada oyuna girerek birinci ligteki ilk maçına çıktı. Ömer Toprak, 2010-11 sezonunda da 24 lig maçında forma giydi.

2011-12 sezonunda Bundesliga ikincisi Bayer Leverkusen, futbol hayatını bitiren Sami Hyypia'nın yerine Toprak'ı 3 milyon euroluk bedelle renklerine bağladı. 30 Temmuz 2011'deki Dynamo Dresden ile oynanan Almanya Kupası birinci tur maçı ile Leverkusen forması giymeye başladı. Ancak kötü bir başlangıç yaparak, kupadan elendiler. 1. hafta FSV Mainz 05 ile oynanan maçta ilk kez Leverkusen ile lig maçına çıktı ancak bu maçta da kendi kalesine gol atıp, maçı 2-0 kaybettiler. Toprak, sezon içinde Hertha BSC maçında da kendi kalesine gol atmıştı. Bu maçtan sonra bir süre sonra formasını kaybetse de daha sonra Leverkusen'in değişmez isimlerinden oldu. İlk kez UEFA Şampiyonlar Ligi'nde forma giyen futbolcu, gruptan çıkma başarısını yaşasa da takımı son 16'da FC Barcelona'ya elendi.

2012-13 sezonunda Leverkusen'in ilk 11'indeki yerini kaptırmayan futbolcu, UEFA Avrupa Ligi'nde gruplardan çıkma başarısı tadıp, Leverkusen de ligin ilk yarısını ikinci olarak bitirdi.

Toprak, 2008'de Avrupa 19 Yaş Altı Futbol Şampiyonası'na Almanya U-19 Milli Futbol Takımı'yla katıldı. Freiburg'dan çağrılan iki oyuncudan biriydi. İlk maçında İspanya'ya gol attı ve Almanya maçı 2-1 kazandı. Almanya gruptan lider olarak çıkarken, Toprak bir grup maçında daha forma giydi. Yarı final maçında forma giymeyen Toprak, final maçının son 24 dakikasında oyuna girdi. Almanya maçı 3-1 kazanarak Avrupa şampiyonu oldu.

2009'den 2011'e kadar Almanya'dan herhangi bir milli takım seviyesine çağrılmayan Toprak'ın, Almanya ya da Türkiye Milli Futbol takımlarından birini seçme şansı bulunuyordu. Toprak, Türkiye Milli Takımını tercih edeceğini açıkladı. Bunun üzerine 30 Eylül 2011 tarihinde açıklanan, 2012 Avrupa Futbol Şampiyonası Elemeleri'nde Almanya ve Azerbaycan ile karşılacak Türkiye Milli Futbol Takımı kadrosuna çağrıldı ve Azerbaycan maçında ilk kez ilk 18'de yer aldı. Ancak 15 Kasım 2011 tarihinde Zagreb'te Hırvatistan ile oynanan 2012 Avrupa Futbol Şampiyonası elemeleri play-off karşılaşmasında ilk kez Türkiye A Milli Takım formasını giydi. Toprak 2014 FIFA Dünya Kupası elemelerinde de Türk milli takımının önemli oyuncularından biri oldu.