اولین بازی‌اش را برای تیم نخست بایرن‌مونیخ در دوران لوئی فان خال انجام داد و قهرمانی در بوندسلیگا و جام حذفی تجربه کرد. این دستاورد سبب دعوت او به تیم ملی شد و در جام جهانی ۲۰۱۰ هم شرکت کرد. جایی که او آقای گلی جام جهانی را با ۵ گل به دست آورد. او بهترین بازیکن جوان جام جهانی و همچنین کفش طلای جام جهانی را به خاطر آقای گلی دریافت کرد، ۵ گل و ۳ پاس گل. او همچنین در لیگ قهرمانان اروپا سال ۲۰۱۳ حضور داشت و همراه بایرن قهرمان شد. همچنین در جام جهانی ۲۰۱۴ گل اول آلمان در مقابل برزیل را به ثمر رساند. این گل ۲۰۰۰امین گل تاریخ تیم ملی فوتبال آلمان می‌باشد. توماس مولر همراه تیم ملی آلمان در سال ۲۰۱۴ قهرمان جهان شد.