מילר החל לשחק בנבחרת הלאומית של גרמניה ב-1966 וסיים ב-7 ביולי 1974 עם הזכייה במונדיאל 1974 במינכן. באותו טורניר הוא כבש את שער הניצחון במשחק הגמר מול נבחרת הולנד אשר הסתיים בתוצאה 1:2. ארבעה שערים בטורניר במינכן ועוד עשרה במונדיאל 1970 הפכו אותו למלך השערים בגביעי העולם בכדורגל, תואר אותו נשא עד מונדיאל 2006, בו שבר רונאלדו את השיא. במונדיאל 2010 השווה מירוסלב קלוזה את השיא, ובמונדיאל 2014 הפך קלוזה למלך השערים של כל הזמנים בגביע העולם.