مولر در سال ۲۰۱۰ برای اولین بار پیراهن تیم ملی آلمان را پوشید و در همان سال در جام جهانی آفریقای جنوبی درخشید. در ادامه مطلب با وب سایت مجله خبری لیگ قهرمانان همراه باشید.
او با زدن ۵ گل، عنوان آقای گل و بهترین بازیکن جوان تورنمنت را از آن خود کرد. چهار سال بعد، در جام جهانی ۲۰۱۴ برزیل، بار دیگر درخشید و همراه با آلمان قهرمان جهان شد. مولر با گل‌ها و پاس‌های کلیدی‌اش یکی از ارکان اصلی موفقیت تیم بود.
حضور او در تورنمنت‌های بزرگ همواره برای آلمان ارزشمند بوده است. او با سبک بازی منحصر‌به‌فردش، مهاجم متفاوتی نسبت به مهاجمان کلاسیک دنیا شناخته می‌شود. شخصیت پرانرژی‌اش هم در زمین و هم بیرون از زمین به تیم روحیه می‌داد.