Ia masuk ke dalam tim nasional Jerman pada tahun 2010. Pada Piala Dunia 2010 dia mencetak lima gol dalam enam pertandingan saat Jerman meraih peringkat ketiga.
Dia menjadi pemain muda terbaik dalam turnamen dan memenangkan golden boot sebagai pencetak gol terbanyak, dengan lima gol dan tiga assist.
Mueller menjadi bagian skuad Jerman yang meraih trofi Piala Dunia 2014 dan juga membela negaranya saat tersisih dari fase yang sama empat tahun lalu di Rusia.***