Il 30 giugno successivo, seppur non scendendo in campo, supera gli ottavi di finale battendo l' per 2-1, dopo i tempi supplementari. Partecipa al quarto di finale vinto per 1-0 contro la , venendo sostituito al minuto 69 da André Schürrle. L'8 luglio, nella semifinale vinta 7-1 contro il , Klose segna il secondo gol della Germania, diventando con 16 reti il miglior marcatore di tutti i tempi nella storia dei Mondiali, superando i 15 gol del brasiliano Ronaldo stabiliti nel mondiale 2006. Il 13 luglio 2014 si laurea campione del mondo dopo la vittoria in finale sull' per 1-0, ottenuta grazie al goal decisivo di Götze, subentrato al suo posto, durante i tempi supplementari.