Müller werd ook geselecteerd voor het Duits elftal dat in Brazilië het WK 2014 won. In Duitsland's openingswedstrijd tegen Portugal (4–0) scoorde hij een hattrick. Later in het toernooi scoorde hij twee andere doelpunten, waarmee zijn totaal op tien WK-doelpunten kwam. In de finale tegen Argentinië speelde Müller de volledige wedstrijd. De 1–0 winst (na verlenging) betekende de vierde wereldbeker voor Duitsland. Met het Duits elftal nam Müller in 2016 deel aan het Europees kampioenschap voetbal in Frankrijk. Duitsland werd in de halve finale uitgeschakeld door Frankrijk (0–2), na in de eerdere twee knock-outwedstrijden Slowakije (3–0) en Italië (1–1, 6–5 na strafschoppen) te hebben verslagen. Müller miste zijn strafschop in de strafschoppenserie van de laatste wedstrijd. Hij scoorde niet op dit toernooi. Müller maakte eveneens deel uit van de Duitse selectie, die onder leiding van bondscoach Joachim Löw deelnam aan de WK-eindronde 2018 in Rusland. Daar werd "Die Mannschaft" voortijdig uitgeschakeld. De ploeg strandde in de groepsfase, voor het eerst sinds het wereldkampioenschap 1938, na nederlagen tegen Mexico (0–1) en Zuid-Korea (0–2). In groep F werd alleen van Zweden (2–1) gewonnen, al kwam die zege pas tot stand in de blessuretijd. Müller speelde mee in alle drie de groepswedstrijden: twee keer als basisspeler en één keer als invaller.