Müller bermain sebagai pemain lini utama dalam kesepuluh pertandingan kualifikasi Euro 2012, saat Jerman lolos ke turnamen final dengan rekor kemenangan 100%. Müller memberikan "assist" untuk tujuh gol, tiga di antaranya tercipta dalam pertandingan melawan Austria pada September 2011 yang beralkir kemenangan 6–2 sekaligus mengamankan kualifikasi Jerman ke turnamen final. Dia mencetak tiga gol di sepanjang kualifikasi, dua di antaranya pada kemenangan 4–0 atas Kazakhstan pada Maret 2011, sementara gol ketiga pada kemenangan 3–1 atas Turki pada bulan Oktober.