Op 4 augustus 2010 verlengde Müller zijn contract bij Bayern München tot 2015. Drie dagen later won hij met Bayern de DFL-Supercup tegen Schalke 04. Müller was verantwoordelijk voor het openingsdoelpunt bij een 2–0 zege. Hij speelde in elke wedstrijd van Bayern München in het seizoen 2010/11 en scoorde opnieuw negentien doelpunten in alle competities. Het was voor Bayern München een teleurstellend seizoen vergeleken het seizoen ervoor. "Der Rekordmeister" eindigde derde in de Bundesliga, werd uitgeschakeld in de halve finale van de DFB-Pokal tegen Schalke 04 en strandde in de achtste finale van de Champions League tegen Internazionale. In het seizoen 2011/12 werd Van Gaal als trainer vervangen door Jupp Heynckes. Müller werd genomineerd voor de Ballon d'Or van 2011. Hiervoor eindigde hij op de dertiende plaats. Bayern München werd tweede in de Bundesliga achter Borussia Dortmund en verloor de finale van de DFB-Pokal tegen dezelfde club. Bayern haalde de finale van de Champions League. Onderweg naar deze finale scoorde Müller in de achtste finale tegen FC Basel. In de finale tegen Chelsea scoorde Müller in de 83ste minuut het openingsdoelpunt. Na negentig en 120 minuten was de eindstand echter 1–1. Nadat Müller vervangen werd door Van Buyten, verloor Bayern in de strafschoppenreeks. In alle competities was Müller elfmaal trefzeker in het seizoen 2011/12.