ミューゼルは1920年初めにメジャーリーグベースボール（MLB）のニューヨーク・ヤンキースと契約を交わした。スプリングトレーニングが終わり、ミューゼルはのちにアメリカ野球殿堂入りを果たす三塁手のフランク・ベーカーに取って代わった。1920年4月14日にMLBデビューを飾り、このシーズンは119試合に出場して打率.328・11本塁打・83打点という成績を残した。1921年はシーズン154試合のうち149試合におもに右翼手として出場して打率.318・24本塁打（アメリカンリーグ2位）・136打点（同3位）の成績でシーズンを終えた。また、5月7日にはワシントン・セネタースに勝利した試合でサイクル安打を達成し、9月5日のダブルヘッダーの2試合目では4補殺というMLBタイ記録を達成した。さらに、セントルイス・ブラウンズのジャック・トービンの28補殺という外野手のリーグ記録に並び、リーグ最高のユーティリティプレーヤーの1人とされた。ミューゼルの兄のアイリッシュはフィラデルフィア・フィリーズからニューヨーク・ジャイアンツにシーズン中に移籍して優勝に貢献した。ボブとアイリッシュのミューゼル兄弟はジャイアンツが彼らの球場を借りているヤンキースと戦った1921年のワールドシリーズで、敵味方に分かれて対戦した(当時のヤンキースはホームゲームをポロ・グラウンズで行っていたが、この球場はジャイアンツが所有していた)。このシリーズの第3戦で、ボブ・ミューゼルは本塁への盗塁を決めた。第5戦には二塁打を放ちベーブ・ルースを生還させ、これが決勝打となりヤンキースは1つ勝ち越したが、その後3連敗を喫して敗退した(9戦5勝制の最後のワールドシリーズであった)。ワールドシリーズ8試合の打率はわずか.200に終わった。同じ時期に、ミューゼルとビル・ピアーシー、ベーブ・ルースは地方巡業に参加する契約を交わして試合にも出場したが、これは当時の野球規則に違反しており、さらにミューゼルとルースは前に参加しないように警告されていた。罰則として、初代MLBコミッショナーのケネソー・マウンテン・ランディスは1922年の最初の5週間分の出場停止処分を科し、彼らのワールドシリーズの賞金3,362ドル(今日では47,529ドルにあたる)をそれぞれの罰金として没収した。このシーズンはわずか121試合の出場にとどまり、打率.319・16本塁打・84打点の成績に終わった。ルースが右翼を守るために左翼手で出場することが多くなった。ヤンキースがロードで試合をする時には、太陽光でルースの守備に影響が出るので、ときどきミューゼルは右翼手でプレーした。出場試合は減ったが、24補殺で再びリーグトップとなった。また、7月21日のデトロイト・タイガースに勝利した試合では2度目のサイクル安打を達成した。ヤンキースは何とか2年連続でのリーグ優勝を果たしたが、1922年のワールドシリーズでは5試合戦って再びジャイアンツに敗れた。シリーズでミューゼルはチームトップの打率.300を記録した。ヤンキースが新しい球場のヤンキー・スタジアムに本拠地を移した1923年は打率.313・9本塁打・91打点という成績だった。このシーズンのミューゼルは3年連続となるジャイアンツとのワールドシリーズで両チーム最多の8打点を挙げ、ヤンキース史上初のワールドシリーズ制覇に貢献した。ポロ・グラウンズで行われた第4戦では2回に2点三塁打で勝利に貢献し、第5戦で5打点を挙げ、第6戦でもチームを勝利へ導く2点適時打を放った。1924年のシーズン前には、ミューゼルの親友であるボストン・ブレーブス所属の遊撃手、トニー・ボーケルがサンディエゴで発生した、乗っていた自動車が横転する事故で亡くなった。ミューゼルも同乗していたが、怪我は無かった。このシーズンは143試合に出場して打率.320・12本塁打・120打点という成績だった。6月13日の対タイガース戦で、野球史で最も悪名高い乱闘の一つが発生した。ヤンキースが10-6でリードして迎えた9回表の攻撃で、タイガースのスター選手であり監督でもあったタイ・カッブが投手のバート・コールに死球をミューゼルに与えるようサインを出した。ルースはサインを見てミューゼルに警告したものの、ミューゼルの背中に死球が当たり、コールに走って詰め寄った。カッブとルースも含めた両チームはフィールドに駆け出して乱闘が始まった。1,000人以上のファンもフィールドに飛び出し暴動が起きた。警察は何とか暴動を収め数人のファンを逮捕した。この試合の主審であったビリー・エバンスは安全のためミューゼルとルースをネビン・フィールドの外に連れ出した。アメリカンリーグ会長のバン・ジョンソンはミューゼルとコールに罰金と10試合の出場停止処分を科した。1925年はキャリアハイの成績を記録した。156試合に出場して33本塁打・138打点・長打数79はリーグトップだった。本塁打王・打点王の二冠に輝いたにもかかわらず、アメリカンリーグの最優秀選手投票では18位タイと、受賞した元ヤンキースでワシントン・セネタース所属のロジャー・ペキンポーに遠く及ばなかった。ヤンキースにとっては1920年代最悪のシーズンとなり、69勝85敗のリーグ7位でシーズンを終えた。翌1926年のミューゼルは108試合出場にとどまり、打率.315・12本塁打・81打点という成績だった。 セントルイス・カージナルスとの1926年のワールドシリーズでは、ミューゼルは第7戦の4回に1アウト満塁で飛球を落球し、カージナルスに1-1の同点に追いつかれ、次の打者に2点適時打を打たれた。ミューゼルにはその後に挽回するチャンスがあったものの、両打席とも2人の走者を置いた5回と7回に内野ゴロでアウトとなった。ヤンキースが2-3で追う9回裏にはカージナルスの先発ピート・アレクサンダーが2人をアウトにすると、ルースに四球を与え、ミューゼルが打席に立ったが、ルースが盗塁を試みて捕手のボブ・オファレルに刺され、試合終了と同時にシリーズも終わった。このシリーズをミューゼルは打率.238で終えた。ミューゼルは史上最高の野球チームはどこかという議論で真っ先に挙がる1927年のニューヨーク・ヤンキースの主力メンバーとして活躍した。このシーズンは135試合に出場して打率.337・8本塁打・103打点、リーグ2位の24盗塁という成績だった。5月16日には二盗、三盗、本盗を1試合で達成した。1927年のワールドシリーズではミューゼルは打率.118で、7戦4勝制における三振記録を作ったが、ヤンキースはピッツバーグ・パイレーツを4連勝で破り、ワールドチャンピオンに輝いた。1928年のミューゼルは131試合に出場して打率.297・11本塁打・111打点という成績だった。彼は最多記録タイとなる3度目のサイクル安打を7月26日の対タイガース戦で達成した。ヤンキースは3年連続でワールドシリーズに進出し、2年前と同じカージナルスと対戦した。ミューゼルは第1戦でワールドシリーズにおける自身唯一の本塁打を放ち、ヤンキースは昨年に続き4連勝でワールドチャンピオンに輝いた。ミューゼルは1930年のシーズン開始前にヤンキースからシンシナティ・レッズに移籍。シーズンでは110試合に出場して打率.289・10本塁打・69打点という成績だった。シーズン後にレッズはミューゼルを放出し、彼はマイナーリーグAAA級にあたるアメリカン・アソシエーションのミネアポリス・ミラーズで1931年のシーズンを過ごし、打率.283を残した。1932年にはパシフィック・コーストリーグに戻り、ハリウッド・スターズで64試合に出場して打率.329・4本塁打の成績で現役を引退した。ミューゼルのMLB通算成績は368二塁打・94三塁打・156本塁打・長打率.497・1067打点・826得点・140盗塁である。彼の持つヤンキースの右打者球団記録の多くは1930年代中盤にトニー・ラゼリによって破られたが、打率、長打率、二塁打数の記録はジョー・ディマジオが1940年代後半に破った。