Müller werd in het seizoen 2009/10 onder de dan net aangestelde coach Louis van Gaal een vaste waarde in de hoofdmacht van Bayern. In het eerste deel van de competitie scoorde hij twee keer tegen Borussia Dortmund, wat zijn eerste Bundesliga-doelpunten waren, en enkele dagen later weer tweemaal tegen Maccabi Haifa in de Champions League. In februari 2010 verlengde Müller zijn contract bij Bayern München. In de op een na laatste wedstrijd van het Bundesliga-seizoen scoorde Müller zijn eerste hattrick bij een 3–1 overwinning tegen VfL Bochum. Een week later verzekerde Bayern München zich van het landskampioenschap door met 1–3 Hertha BSC te verslaan. Naast het landskampioenschap won Bayern dat seizoen de DFB-Pokal door in de finale Werder Bremen met 0–4 te verslaan en werd de finale van de Champions League behaald, waarin Internazionale met 2-0 te sterk was. In het seizoen 2009/10 scoorde Müller negentien doelpunten in alle competities. Müller werd door de betaalde voetballers die in Duitsland speelden met een duidelijke meerderheid verkozen tot "Talent van het Jaar" in het Duitsland.