В Бундеслиге дебютировал 15 августа 2008 года в матче против «Гамбурга».

12 сентября 2009 года Томас оформил свой первый дубль в Бундеслиге в матче с «Боруссией» из Дортмунда, а через три дня повторил свой результат уже в Лиге чемпионов, забив мячи в ворота «Маккаби» из Хайфы (3:0). По итогам сезона он, наравне с Тони Кроосом, Марко Марином и Штефаном Кисслингом стал открытием чемпионата, забив 13 мячей и выдав 10 голевых передач. В общей сложности в сезоне 2009/10 Томас забил 19 голов.

Трансферная стоимость игрока на 28 сентября 2011 составляет 33.000.000 евро.
[править] Национальная сборная

14 ноября 2007 года принимал участие в матче против английской сборной на турнире U-19.

В своей единственной игре за сборную Германии U-20 3 сентября 2008 года забил гол в ворота команды Австрии. Отказался от участия в матче против Египта, чтобы не потерять место в Бундеслиге.

11 августа 2009 года отыграл свой первый матч за молодёжную сборную Германии (до 21), в котором немецкая команда потерпела поражение от Турции со счётом 1:3. Первый гол в футболке молодёжной сборной забил в матче против Сан-Марино 17 ноября 2009 года, сделав счёт 8:0 в пользу немцев, встреча закончилась со счётом 11:0.

3 марта 2010 года дебютировал в национальной сборной Германии в товарищеском матче со сборной Аргентины на мюнхенской Аллианц Арене. Мюллер вышел в стартовом составе и был заменён на 66-й минуте на другого дебютанта Тони Крооса, а немцы уступили 0:1.
[править] Чемпионат мира 2010

Своей игрой за клуб Томас заработал себе место в расширенном списке кандидатов на поездку на чемпионат мира 2010 года в ЮАР, а затем попал и в итоговую заявку сборной Германии под № 13, под которым в сборной долгие годы выступал Михаэль Баллак, пропустивший турнир из-за травмы.

Свой первый мяч за сборную Томас забил 13 июня 2010 года в первом матче Германии на чемпионате мира против сборной Австралии (4:0). В том же матче Мюллер отдал голевую передачу Лукасу Подольски, открывшему счёт в матче. Для Мюллера это была третья в карьере игра в футболке сборной Германии. В матче третьего тура группового этапа против сборной Ганы Мюллер сделал голевой пас на Месута Озила, забившего единственный гол в той встрече.

В матче 1/8 финала против сборной Англии Мюллер в первом тайме отдал голевую передачу на Подольски, а затем во втором тайме сам забил 2 мяча в ворота 39-летнего Дэвида Джеймса, доведя счёт до 4:1 в пользу немцев. ФИФА признала Мюллера лучшим футболистом этой встречи[2]. После матча тренер сборной Германии Йоахим Лёв отметил Мюллера, отдав должное его хладнокровию перед чужими воротами[3][4]. Мюллер стал самым молодым футболистом со времён Пеле, забившим более одного мяча в матчах плей-офф чемпионата мира.

В четвертьфинальной игре против Аргентины на 3-й минуте Томас открыл счёт в матче, головой замкнув подачу Бастиана Швайнштайгера со штрафного. Во втором тайме Мюллер лёжа отдал пас на выход Лукасу Подольски, который через мгновение сделал голевую передачу Мирославу Клозе, забившему второй мяч в игре. Матч закончился победой немцев со счётом 4:0. На 23-й минуте узбекский арбитр Равшан Ирматов показал Мюллеру жёлтую карточку за игру рукой, которая стала для него второй на турнире (первую Томас получил в матче против Ганы). В результате Мюллер за 2 жёлтые карточки был вынужден пропустить полуфинальный матч, в котором сборная Германии уступила испанцам со счётом 0:1. В матче за третье место с командой Уругвая Томас открыл счёт в первом тайме, добив мяч в ворота после того, как Фернандо Муслера неудачно отразил дальний удар Швайнштайгера, а немцы в итоге победили 3:2 и выиграли бронзовые награды.

По итогам мирового первенства в ЮАР Мюллер стал вторым в списке самых молодых игроков, забивших в матчах одного мирового первенства 5 или более мячей, уступая в мировой табели о рангах лишь Пеле. 5 голов и 3 передачи в 6 матчах принесли Томасу «Золотую бутсу» чемпионата мира 2010 года