Müller-Nilssen arbeidet i Kirkens Bymisjon fra 1974 og spilte en sentral rolle i utbygging av organisasjonens virksomhet. Han var generalsekretær i organisasjonen fra 1974 til 1998. Senere arbeidet han som seniorkonsulent og også som gateprest i Tønsberg. Han ble pensjonert fra Kirkens Bymisjon i 2007.