Dans les catégories de jeunes, Koen Vekemans s'illustre en obtenant de nombreuses victoires. Il s'impose notamment à cinquante reprises en 1983 chez les débutants[3]. Deux ans plus tard, il devient vice-champion de Belgique de l'omnium au niveau junior. Il remporte ensuite une étape du Tour du Hainaut occidental en 1986, ou encore le Tour du Limbourg amateurs en juin 1987.
Il passe professionnel en septembre 1987 dans l'équipe Lotto, où il évolue jusqu'en 1990. Durant cette période, il se distingue principalement dans des compétitions belges en décrochant de nouveaux succès et diverses places d'honneur. Il gagne par ailleurs une étape du Tour de la Communauté européenne en 1988. Après une autre saison au sein de la formation SEFB, il se retire des pelotons professionnels en 1992.