El 3 de noviembre de 2019, fue nombrado entrenador interino del Bayern de Múnich tras la salida de Niko Kovač. El 22 de diciembre se confirmó su permanencia en el banquillo hasta el final de la temporada; y el 3 de abril de 2020, tras lograr unas grandes actuaciones en juego y resultados (18 victorias en 21 partidos), la directiva decidió ampliar su contrato hasta 2023. En su primera temporada en el equipo muniqués, consiguió ganar el triplete al proclamarse campeón de la Bundesliga, la Copa de Alemania y la Champions. Posteriormente, también llevó a su equipo a conquistar la Supercopa de Alemania, la Supercopa de Europa y el Mundial de Clubes, completando un año de ensueño con el Bayern de Múnich. Sin embargo, el 17 de abril de 2021, anunció su voluntad de dejar el banquillo del Allianz Arena a final de temporada. Diez días después, se confirmó que Julian Nagelsmann sería su sustituto.