Es el futbolista con más asistencias en la historia de la Bundesliga desde que estas se contabilizan.

[2]​[3]​ En la temporada 2009/10, se afianzó como titular en el primer equipo bajo las órdenes de Louis van Gaal, que lanzó a la prensa su histórica frase: "Müller juega siempre".

A los 20 años y 230 días, sigue siendo el hombre más joven del Bayern en conseguirlo en la historia de la Bundesliga.

En la siguiente temporada, el equipo de reserva del Bayern se clasificó para la nueva 3.

[19]​ Estaba preparado para ser cedido o incluso traspasado, para encontrarse con el primer equipo,[17]​ pero con la cita del entrenador Louis van Gaal, ambos jugadores se convirtieron en jugadores fijos en el primer equipo del Bayern de Múnich a principio de la temporada.

[21]​ Tres días más tarde, anotó otro gol en un partido de la Champions League contra el Maccabi Haifa, que acabó 3–0.

[23]​ Después del partido con el Maccabi Haifa, Müller disputó casi todos los encuentros restantes como titular,[24]​ perdiéndose solo un partido —un encuentro de la Liga de Campeones contra Burdeos, para el que estaba sancionado,[25]​ tras haber recibido una tarjeta roja en un anterior encuentro contra el mismo equipo.

[31]​ Esto fue confirmado una semana más tarde con una victoria de 3–1 contra Hertha Berlín,[32]​ un encuentro que Müller inició.

[35]​ Müller tuvo una decepción por esta derrota,[17]​ pero acabó su primera temporada como un jugador regular del equipo, participando en 52 encuentros y marcando un total de 19 goles en todas las competiciones.

[37]​ Müller acredita a Van Gaal por haber tenido la parte más grande en su subida al éxito — el entrenador había llegado con una gran reputación para promover a jugadores de la cantera, particularmente en el Ajax, y le había dado su oportunidad en el primer equipo, diciendo «Conmigo, Müller siempre jugará».

Tres semanas más tarde,[47]​ acumulaba ocho goles en todas las competiciones,[43]​ incluyendo un gol espectacular al abrir el marcador en un 2–0 contra la Roma el 15 de septiembre, en un partido de la Champions League.

[45]​ Thomas Müller empezó la segunda mitad de la temporada en buena forma, pero estaba involucrado en una pelea con su compañero de equipo Arjen Robben, quien estuvo enojado por el desagrado que Müller mostró por un tiro libre que falló durante un partido contra Werder Bremen, el cual terminó 3-1.

[51]​ El mentor de Müller, Van Gaal fue criticado por no ser flexible en las tácticas, en los fichajes y en la selección de jugadores,[52]​ por eso fue remplazado por Jupp Heynckes[53]​ Müller empezó la temporada con buen pie, estando en el once inicial en todos los partidos.

[58]​ Müller fue seleccionado para la preselección del premio FIFA Balón de Oro.

El 20 de octubre marcó un doblete en la octava victoria seguida del Bayern tras ganar por 5-0 al Fortuna Düsseldorf.

Müller anotó 23 goles totales en la temporada (incluyendo todas las competiciones), 13 en la Bundesliga, uno en la Copa, ocho en la Liga de Campeones y uno en la Supercopa que el Bayern ganó 2-1.

[63]​ Müller terminó como el máximo goleador del torneo con ocho goles en cinco partidos.

[64]​ Después de la temporada 2013-14, Müller renovó su contrato con el Bayern hasta 2019[65]​ y rechazó una oferta del Manchester United.

[76]​ En su partido número 200 de la Bundesliga anotó un doblete contra el Bayer Leverkusen, en un juego que finalizaría 3-0.

Como vino a través de la cantera del Bayern, se vio primordialmente como un centrocampista,[79]​ pero en el equipo principal ha sido usado en más posiciones delanteras.

[81]​ Ha representado a Alemania en varios niveles de la cantera, comenzando con el equipo sub-16 en 2004.

[82]​ En agosto de 2009, fue llamado a la selección sub-21 por primera vez, haciendo su debut en un amistoso que terminó 1-3 contra Turquía.

[85]​ En octubre del mismo año, los partidos de Müller para el Bayern asombraron al entrenador del combinado alemán, Joachim Löw, y le consideró públicamente como un candidato a la selección nacional,[86]​[87]​ y en el siguiente mes, fue convocado con la selección en un amistoso contra Costa de Marfil.

Sin embargo, obtuvo su segunda tarjeta amarilla del torneo en la segunda mitad,[102]​ por eso no jugó contra España - Müller dijo que se sintió mucho más nervioso viendo el juego que si fuese capaz de jugar.

[103]​ Con cinco goles acabó como goleador en la parte superior del torneo, y sus tres asistencias significaron que ganara la Bota de Oro.

[106]​ En octubre de 2010, fue nombrado en la preselección para el premio «Ballon D'Or», junto con cuatro alemanes.

[107]​ Reflexionando sobre su éxito en la Copa Mundial, Müller dijo «básicamente tuve suerte, golpeo justo en el momento correcto».

[45]​ Müller ha estado en el once inicial en los primeros ocho partidos calificadores de Alemania para la Eurocopa 2012, todos acabaron en la victoria.

[111]​ También anotó en las victorias sobre Austria y Islas Feroe lo que resultó en cuatro goles en la exitosa campaña de Alemania.

Müller anotó cinco goles en cada una de sus dos primeras Copas del Mundo, siendo el tercer jugador en lograrlo tras Teófilo Cubillas y su compañero Miroslav Klose.