132 kez Almanya millî takımında yer alan Klose, bu maçlarda 69 gol atmayı başarmış, 2002, 2006, 2010, 2014 olmak üzere 4 kez FIFA Dünya Kupasına, 2004, 2008, 2012 olmak üzere 3 kez de Avrupa Futbol Şampiyonası'nda Almanya millî takım formasını giymiştir. Bu maçlarda, 2002 FIFA Dünya Kupası'nda kafayla attığı 5 golle Gümüş Top Ödülü, 2006 FIFA Dünya Kupası'nda da yine 5 golle Altın Top Ödülü kazanmıştır. 2002 FIFA Dünya Kupası'nda attığı 5 kafa golü turnuvada atılmış en fazla kafa golü olarak kayıtlara geçmiştir. 2013 yılında 130 maçta attığı 68 golle Gerd Müller'in rekoruna ortak olmuştur ve 6 Haziran 2014 tarihinde Ermenistan ile oynanan Hazırlık maçında attığı gol ile Almanya futbol tarihinin en golcü futbolcusu olmuştur. 21 Haziran 2014 günü oynanan FIFA Dünya Kupası G Grubu 2. maçlarından Almanya - Gana maçının 68. dakikasında oyuna dahil olmuştur. Ve aynı maçın 72. dakikasında gol atarak turnuva tarihindeki 15. golüne ulaşmıştır. Böylelikle 14 gollü Gerd Müller'i geçerek Almanya futbol tarihinin FIFA Dünya Kupası'nda en çok gol atan oyuncusu olmuştur ve aynı zamanda Dünya Kupaları'nın en golcü ismi Brezilyalı Ronaldo'yu yakalamıştır. Brezilya Almanya maçında bir gol daha kaydederek Ronaldo'yu geride bırakarak FIFA Dünya Kupası tarihinin en golcü futbolcusu olmuştur.