Zwischen Oktober 1959 und April 1964 bestritt Lucien Muller 16 Spiele für die Französische Fußballnationalmannschaft (14 in seiner Zeit bei Reims, zwei bei Madrid) und erzielte dabei drei Tore. Er nahm 1960 auch an der für die "Équipe Tricolore" allerdings enttäuschend verlaufenen Endrunde der Europameisterschaft im eigenen Land teil (ein Einsatz). Nach einer zweijährigen Pause, in der er als "Auslandsprofi" nicht mehr berücksichtigt worden war, stand er in Frankreichs Aufgebot für die WM 1966. Doch obwohl die Franzosen dort einen Spielgestalter wie Muller dringend benötigt hätten, ließ ihn Nationaltrainer Henri Guérin während der gesamten Vorrunde auf der Ersatzbank schmoren – und danach mussten "les Bleus" die vorzeitige Heimreise antreten; kurz darauf erklärte Lucien Muller, dass er für die Nationalelf nicht mehr zur Verfügung stünde.