За сениорску репрезентацију Западне Немачке је одиграо 62 утакмица и постигао 68 голова, (1966-1974). За репрезентацију Западне Немачке је дебитовао 12. октобра 1966. године, на утакмици против Турске у Анкари. Свој сјајни голгетерски учинак у репрезентацији је почео 8. априла 1967. године, на утакмици квалификација за Европско првенство 1968. против репрезентације Албаније у Дортмунду. Немачка је тада славила са 6-0, а Милер је био четвороструки стрелац. На светским првенствима је постигао укупно 14 голова. Десет пута се уписао у стрелце на Светском првенству 1970. а још четири гола је постигао на Светском првенству 1974. Укупно најбољи стрелац светских првенстава је био све до 27. јуна 2006. када је на Светском првенству у Немачкој бразилски нападач Роналдо, у утакмици против Гане постигао свој укупно 15 гол, али на четири Светска првенства. Милер је био члан репрезентације која је освојила Европско првенство 1972. године, и био је најбољи стрелац тог првенства са четири поготка, од којих је два постигао у финалу против Совјетског Савеза. Последењу утакмицу у дресу са државним грбом одиграо је 7. јула 1974. године у Минхену, у финалу Светског првенства 1974. Немачка је тада савладала Холандију са 2-1, а Милер је био стрелац победоносног гола.