Милер се нашао на ширем списку од 27 играча за Свјетско првенство 2010, заједно са још седам фудбалера Бајерн Минхена. Упркос томе што је пао са бицикла у тренинг кампу у Болцану, доживио је блаже повреде и нашао се на коначном списку од 23 играча за првенство. Додијељен му је број 13, који обично носи Михаел Балак, који је био повријеђен и није играо на првенству, док је број 13 раније носио Герд Милер. Другу утакмицу за репрезентацију одиграо је у последњој пријатељској утакмици пред старт првенства, када је ушао на полувремену умјесто Пјотра Троховског, у побједи 3:1 против репрезентације Босне и Херцеговине. Нашао се у стартној постави у првој утакмици на Свјетском првенству и постигао је трећи гол у побједи 4:0 над Аустралијом, освојивши награду Њемачи гол мјесеца. Играо је све утакмице у групној фази, укључујући и пораз од Србије 1:0. Њемачка је завршила на првом мјесту у групној фази, а у осмини финала је играла против Енглеске. Милер је постигао два гола и уписао једну асистенцију у побједи од 4:1. У четвртфиналу, у побједи против Аргентине 4:0, Милер је постигао свој четврти гол на првенству у трећем минуту утакмице. Ипак, добио је жути картон у првом полувремену због прекршаја и био је суспендован за полуфинале против Шпаније, гдје је Њемачка изгубила. Изјавио је да је био нервознији током утакмице против Шпаније него било који други фудбалер који је могао да игра. Вратио се у тим у утакмици за треће мјесто против Уругваја и постигао је водећи гол, његов пети на првенству, у побједи 3:2 и освојио је бронзану медаљу. Успјех тима је био кулминација серије промјена које су донесене након неуспјеха на Европском првенству 2000. Њемци су усвојили нападачки стил фудбала и прикључили првом тиму младе фудбалере као што су Милер, Месут Озил и Сами Хедира.