Klose atuou pela seleção alemã, de 2001 até 2014 e foi o artilheiro da Copa do Mundo de 2006, com cinco gols marcados, recebendo assim o prêmio , concedido pela FIFA ao artilheiro do torneio. Também marcou cinco vezes na Copa do Mundo de 2002, quando se tornou conhecido por seus gols de cabeça e seu modo de comemorar saltando em um mortal frontal. Marcou mais quatro gols na Copa do Mundo de 2010. Em 2014, além de marcar mais dois gols, se tornou tetracampeão mundial pela seleção alemã.