Die Gruppenphase wurde mit Siegen über Portugal und USA sowie einem Remis gegen Ghana als Gruppensieger abgeschlossen. Im letzten Gruppenspiel traf Löw auf seinen Kollegen und Vorgänger Jürgen Klinsmann, der die US-amerikanische Mannschaft trainierte. Über das Achtelfinale gegen Algerien, das erst in der Verlängerung mit 2:1 bezwungen wurde, erreichte Löws Mannschaft das Viertelfinale mit dem Gegner Frankreich und konnte sich hier mit 1:0 durchsetzen. Löw nahm in diesem Spiel einige taktische Veränderungen vor, insbesondere kehrte Philipp Lahm auf die Position des rechten Außenverteidigers zurück, was zuvor in der öffentlichen Diskussion gefordert worden war. Standardsituationen, insbesondere Ecken und Freistöße, die früher in Training und Spielgestaltung kaum eine Rolle spielten, wurden aufgewertet und trugen bei dieser WM mehrfach zu Entscheidungen zugunsten der deutschen Mannschaft bei. Letzteres wird vor allem der Beratung und dem Einfluss des DFB-Spielbeobachters Urs Siegenthaler und des scheidenden Assistenztrainers Hansi Flick zugeschrieben. Die deutsche Mannschaft gewann das Halbfinale gegen Brasilien mit 7:1 und wurde nach einem 1:0 nach Verlängerung im Finale gegen Argentinien Weltmeister. Löw ist damit der erste und bisher einzige deutsche Weltmeistertrainer, der selbst nie für die Nationalmannschaft gespielt hat.