Открытие чемпионата мира 2010 года, был признан лучшим молодым игроком турнира и стал одним из его снайперов, забив пять мячей. Пропуск Мюллером полуфинала с Испанией из-за дисквалификации стал одной из причин неудачной игры немцев и поражения со счетом 0:1. Забил гол в финале Лиги чемпионов-2012, однако его "Баварии" не хватило для победы.

При этом сезон 2009-10 гг для Мюллера стал первым в основном составе "Баварии", и он провел его блестяще. С ходу Мюллер ворвался в сборную, оставаясь ее лидером и в отборочном турнире Евро-2012, когда провел все 10 матчей с первых минут и забив три мяча.

Хотя по амплуа Мюллер - нападающий, обычно действует на правом фланге либо в центре полузащиты. Обладает прекрасным чувством позиции и может оказаться в нужном месте в нужное время, почти как его великий однофамилец Герд. При этом сам Томас не считает себя хорошим дриблером и умельцем обыграть соперника.