בשנת 1990 קלינסמן היה חלק חשוב בזכייה של נבחרת גרמניה המערבית במונדיאל 1990, לאחר ניצחון 1-0 במשחק הגמר על נבחרת ארגנטינה. במונדיאל זה, קלינסמן הבקיע שלושה שערים, שניים מהם בשלב הבתים, מול נבחרות יוגוסלביה ואיחוד האמירויות, ושער נוסף בשמינית הגמר מול נבחרת הולנד, במשחק בו קלינסמן נאלץ לשחק כחלוץ יחיד החל מהדקה ה-22, בה הורחק רודי פלר. על הופעתו במשחק זה מול הולנד, שנתיים לאחר ההפסד בחצי גמר יורו 1988 לנבחרת זו, זכה קלינסמן לשבחים רבים. במשחק הגמר מול ארגנטינה, הורחק הארגנטינאי פדרו מונסון, שהיה המורחק הראשון בתולדות משחקי גמר המונדיאל, בגין עבירה על קלינסמן, שהואשם בהתחזות על מנת להטעות את השופט. קלינסמן הכחיש טענה זו, ובשנת 2004 טען שהעבירה של מונסון גרמה לחתך באורך 15 סנטימטרים על השוקה שלו.