Im Juni 2014 wurde Klose für den deutschen Kader zur Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien nominiert. Am 6. Juni 2014 erzielte er beim 6:1-Sieg im WM-Vorbereitungsspiel gegen Armenien das 4:1 und löste somit nach fast 40 Jahren Gerd Müller als alleinigen Rekordtorschützen der Nationalmannschaft ab. Bei der WM kam er im zweiten Gruppenspiel gegen Ghana erstmals zum Einsatz und erzielte direkt nach seiner Einwechslung sein 15. Tor bei einer Weltmeisterschaft zum . Damit stellte er den WM-Torrekord des Brasilianers Ronaldo ein. Nach einer weiteren Einwechslung im dritten Gruppenspiel gegen die USA wurde Klose im Achtelfinale gegen Algerien nicht eingesetzt. Ab dem Viertelfinale gegen Frankreich gehörte er jedoch bis zum Finale zur Startaufstellung. Am 8. Juli 2014 erzielte er beim 7:1-Sieg im Halbfinalspiel gegen den Gastgeber Brasilien mit dem Treffer zum 2:0 sein 16. WM-Tor und wurde somit alleiniger Rekordhalter.