Di sepanjang musim, dia bermain dalam ke-34 pertandingan Bundesliga, bermain sebagai pemain lini utama dalam 29 pertandingan, serta menorehkan 13 gol dan 11 "assist". Bayern and Müller kembali ke Berlin pada pekan berikutnya, untuk menghadapi Werder Bremen dalam pertandingan final DFB-Pokal. Müller bermain di lini utama dan Bayern memenangkan pertandingan 4–0 sekaligus melengkapi gelar "double" dalam kompetisi domestik. Müller mencetak empat gol dan memberikan dua "assist" selama kompetisi, yang menjadikannya sebagai pencetak gol terbanyak sepanjang musim ini. Musim ini diakhiri dengan perburuan "treble" pertama, melalui pertandingan Final Liga Champions 2010 melawan Inter Milan di Stadion Santiago Bernabéu di Madrid. Sayangnya, hal tersebut tidak terwujud setelah kalah 2–0 berkat kedua gol dari Diego Milito. Müller masuk ke dalam lini utama dan memperoleh peluang kunci setelah babak pertama, saat tertinggal 1–0, tetapi tendangannya diselamatkan oleh Júlio César. Müller merasa sangat kecewa karena kekalahan ini, tetapi dia mengakhiri musim pertamanya sebagai pemain tim utama dengan 52 pertandingan dan 19 gol di semua kompetisi.