El 8 de mayo de 2014, Klose fue incluido en la lista preliminar de 30 jugadores por el entrenador Joachim Löw con miras a la fase final de la Copa del Mundo. Fue ratificado entre los 23 jugadores que viajaron a Brasil el 2 de junio, teniendo la fortuna de disputar su cuarto y último mundial. El 21 de junio del 2014 marcó un gol en el empate de 2-2 entre Alemania y Ghana, igualando el récord de Ronaldo como máximo goleador en la historia de la Copa Mundial de Fútbol con 15 goles. Además, se convirtió en el tercer futbolista que ha marcado goles en cuatro mundiales distintos, junto a Pelé y Uwe Seeler. En la semifinal de aquel campeonato, jugada el 8 de julio, Klose marcó un gol en la victoria 7-1 sobre Brasil, alcanzando los 16 goles y convirtiéndose en el máximo goleador de la historia de los Mundiales. Klose también jugó en la final del Mundial donde su selección ganó 1-0 a Argentina y se convirtió en campeón del mundo. Con dicha victoria, el jugador superó a Cafú como el futbolista con mayor número de victorias en copas del mundo, alcanzando 17.