Варламов был выбран "Вашингтон Кэпиталз" под 23-м номером драфта-2006. В 448 матчах (431 в старте) за "Кэпиталз" и "Эвеланш" он сыграл 213-169-50 при 2,68 гола, 91,6% сэйвов и 25 шатаутах. В 26 встречах плей-офф его показатели составляют 13-13 при 2,57 гола, 91,5% сэйвов и двух шатаутах.
В сезоне 2013-14 Варламов занял второе место в голосовании на "Везина Троиф" (лучший вратарь НХЛ) и четвертое в голосовании на "Харт Трофи" (самый ценный игрок НХЛ), когда в составе "Колорадо" сыграл 41-14-6 при 2,41 гола и 92,7% сэйвов.