Thomas a felnőttek közt 2010-ben egy felkészülési meccsen debütált Argentína ellen, amit elveszített a német válogatott. Később nevezve lett a 2010-es VB bő keretébe, majd a szűkítés után is ott maradt. Öt góllal a világbajnokság aranycipőse lett, emellett pedig elnyerte a legjobb fiatal játékosnak járó díjat is. A 2012-es EB-re a németek 100%-os teljesítménnyel jutottak ki, azonban Müllernek nem igazán ment a lengyel-ukrán közös rendezésű bajnokságon. Nem talált be, Németország pedig az elődöntőben kiesett.