穆勒同样入选了勒夫的最终23人名单参加2012年欧洲足球锦标赛决赛圈。他以首发身份参加了全部分组赛比赛，并在其后的两场淘汰赛中替补登场。最终德国队在半决赛中以1比2不敌意大利，无缘决赛。穆勒在这项赛事中没有取得入球。