На своё следующее крупное соревнование — чемпионат мира 2010 года — Мозгов приехал уже игроком клуба НБА. В матче за 5-е — 8-е места против сборной Аргентины Тимофей сделал дабл-дабл, набрав 10 очков и 11 подборов. Кроме того, он стал самым результативным игроком сборной России на турнире, набрав 117 очков. Мозгов выступал за сборную и на чемпионате Европы 2011 года в Литве, став единственным центровым команды на турнире. Сборная России заняла третье место, таким образом Тимофей получил свою первую международную награду — бронзовую медаль чемпионата Европы.