Kroos pernah bermain di Bayern München II, dan pernah bermain untuk Bayern München. Ia pernah dipinjamkan ke Bayer Leverkusen pada 2009 hingga 2010. Ia menjadi bagian penting dalam musim "treble" Bayern München 2012–2013. Pada tahun 2014, Kroos pindah ke Real Madrid, dengan biaya transfer sebesar €30.000.000. Kroos mencatatkan debut kompetitif pertama untuk Real Madrid pada laga Piala Super UEFA 2014 melawan Sevilla dan memenangkan pertandingan tersebut. Pada musim pertamanya di El Real, bersama dengan James Rodríguez dan Luka Modrić, Real Madrid sukses memenangkan 22 pertandingan berturut-turut. Kroos juga menjadi bagian skuat Madrid yang menjuarai Piala Dunia Antarklub FIFA 2014.