Мюлер започва кариерата си в дублиращия тим на Байерн. През сезон 2008/09 става голмайстор на тима в Трета Бундеслига. Дебютът си за първия тим прави срещу Спортинг Лисабон при победата със 7:1. Мюлер вкарва седмия гол в този мач. От сезон 2009/10 е в първия тим, като вкарва 18 гола във всички турнири. Голмайстор на Мондиал 2010 с 5 попадения. През 2014 година на Мондиал става голмайстор.