Sebagai produk dari sistem akademi usia muda, dia memulai musim pertamanya secara penuh pada musim 2009–2010 setelah Louis van Gaal ditunjuk sebagai pelatih utama; dia bermain di hampir seluruh pertandingan hingga klub memenangkan gelar "double" di Bundesliga dan DFB-Pokal, serta mencapai Final Liga Champions UEFA 2010. Müller mencetak 23 gol pada musim 2012–2013 saat Bayern memenangkan "treble" historis; gelar di Bundesliga, DFB-Pokal, dan Liga Champions.