У дорослому футболі дебютував 2009 року виступами на умовах оренди за команду клубу «Локомотива», взявши участь у 17 матчах чемпіонату.
У складі основної команди клубу «Динамо» (Загреб) дебютував 2009 року. Протягом чотирьох сезонів відіграв за «динамівців» 73 матчі в національному чемпіонаті.
На початку 2012 року гравець перебував у сфері інтересів дніпропетровського «Дніпра»[3], проте домовленості про перехід хорвата до українського клубу досягнуто не було.
Натомість влітку 2013 року хорват за 4,3 мільйони євро перейшов до клубу «Дженоа» з італійської Серії A. Провівши один сезон у генузькій команді, перейшов до команди «Сассуоло» за 3,5 мільйони євро. Ставши ключовим захисником у тактичних побудовах Еусебіо Ді Франческо, допоміг провінційній команді посісти шосте місце в італійському чемпіонаті за результатами сезону 2015/16 і вперше у своїй історії кваліфікуватися для участі у єврокубках.
Влітку 2016 року перейшов до мадридського «Атлетіко», уклавши з іспанським клубом п'ятирічний контракт. За неофіційними оцінками мадридцям цей трансфер вже коштував 18 мільйонів євро. У своєму другому сезоні в Іспанії став у складі «Атлетіко» переможцем Ліги Європи 2017/18, провівши по ходу цього турніру, втім, лише чотири гри.
Влітку 2018 року на один сезон хорвата орендував римський «Інтернаціонале», в якому той відіграв лише до кінця січня 2019, коли важка травма залишила гравця поза грою на шість місяців. Відповідно італійський клуб не скористався опцією викупу гравця і влітку 2019 Врсалько повернувся до «Атлетіко».
2 липня 2022 Шиме підписав контракт із грецьким клубом «Олімпіакос».[4] Однак у листопаді 2022 року контракт Врсалько був розірваний за згодою сторін.[5]
23 березня 2023 року хорват оголосив про завершення кар’єри.[6]
Виступи за збірні
У 2007 році дебютував у складі юнацької збірної Хорватії, взяв участь у 28 іграх на юнацькому рівні, відзначившись 3 забитими голами.
Дебют Врсалько у фінальних частинах великих міжнародних турнірів відбувся двома роками пізніше — на чемпіонаті світу 2014 року він взяв участь у двох матчах групового етапу.
Двома матчами групового етапу обмежилася його участь і на Євро-2016, на якому хорвати дійшли 1/8 фіналу, де мінімально 0:1 програли майбутнім переможцям першості, португальцям. Після континентальної першості про завершення виступів за збірну оголосив її багаторічний лідер і капітан Даріо Срна, після чого саме Врсалько став основним гравцем на правому фланзі захисту національної команди.
Чемпіонат світу 2018 року вже починав як стабільний гравець стартового складу. Допоміг команді не пропустити жодного гола у двох стартових матчах групового етапу — проти Нігерії (2:0) і Аргентини (3:0) — чим завчасно оформити вихід до стадії плей-оф. Відпочивши під час фінальної гри групового раунду, Врсалько повернувся на поле на стадії плей-оф і відіграв у всіх його матчах включно з фіналом, в якому хорвати поступилися 2:4 збірній Франції.
