Thomas Müller hakkas mängima juba Saksamaa U16-koondises ja lõi 6 mängus 4 väravat. Ta mängis ka teiste vanuseklasside Saksamaa koondises, kui vanemaks sai. Saksamaa U-21 koondises mängis ta 6 kohtumist ja lõi neis 1 värava.
Euroopa 2011. aasta U-21 meistrivõistlustel jäi Saksamaa aga alagrupis kolmandaks. San Marino kaotas valikgrupis kõik mängud, aga ülejäänud kohtumistest sai Saksamaa kõigest 1 võidu, 2 kaotust ja 3 viiki, sealhulgas Islandiga mängiti kodus 2:2 ja võõrsil 1:4. Finaalturniirile jõudsid kaks paremat, Tšehhi ja Islandi jalgpallikoondis. Mülleri ainus värav tuli 11:0 võidus San Marino jalgpallikoondise üle ja oli kaheksas värav.
Ta valiti Saksamaa meeskonda Lõuna-Aafrikas toimunud 2010. aasta MM-ile. Esimeses voorus alistas Saksamaa 13. juunilAustraalia jalgpallikoondise 4:0, Müller mängis kogu kohtumise ja pärast seda, kui Austraalia 56. minutil seisul 0:2 vähemusse jäi, lõi 68. minutil 3:0. See oli tema esimene värav Saksamaa täiskasvanute koondises. Teises voorus Serbia jalgpallikoondise vastu 18. juunil mängis Müller esimesed 70 minutit, alates 37. minutist mängis Saksamaa vähemuses ja minut hiljem lõi Serbia mängu ainsa värava. Kolmandas voorus 23. juunil mängis Müller 67 esimest minutit ja sai 43. minutil ainsa sakslasena kollase kaardi. Saksamaa võitis 60. minuti väravast 1:0 ja sellega Ghana ees ka alagrupi. Järgmine mäng toimus 27. juunilInglismaa jalgpallikoondisega ja Müller mängis esimesed 72 minutit, lüües 67. ja 70. minutil 3:1 ja 4:1. Selle tulemusega kohtumine ka lõppes ja Müller valiti kohtumise parimaks mängijaks. 3. juulil mängiti veerandfinaal Argentina vastu ja Müller viis Saksamaa juba 3. minutil juhtima, kuid sai 35. minutil kollase kaardi. eisel poolajal lõi Saksamaa veel 3 väravat ja võitis 4:0. Pärast seda vahetati Müller 84. minutil välja. 7. juulil peetud poolfinaali Hispaania jalgpallikoondise vastu pidi Müller kaartide tõttu vahele jätma ja Saksamaa kaotas 0:1. Pronksimängus Uruguay jalgpallikoondise vastu 9. juulil viis Müller Saksamaa 19. minutil juhtima, mäng lõppes Saksamaa 3:2 võiduga ja Müller valiti kohtumise parimaks mängijaks.
Thomas Müller valiti turniiri parimaks nooreks jalgpalluriks. Ta võitis ka parimale ründajale ette nähtud Kuldse saapa, kuid teda ei arvatud turniiri sümboolsesse koondisse. Ta jagas 5 väravaga resultatiivseima mängija tiitlit ja 3 resultatiivse sööduga samuti esikohta. Väravate ja söötude koguarvult (8) oli ta puhtalt esimene. Ta oli turniiri noorim väravalööja (20 aastat ja 273 päeva mängus Austraaliaga) ja lõi turniiri kõige kiirema värava (2.38 mängus Argentinaga).
19. november 2018 seisuga on Müller Saksamaa koondises pidanud 100 kohtumist ja löönud neis 38 väravat. Ainsal korral on ta saanud kirja kübaratriki2014. aasta maailmameistrivõistluste alagrupimängus 16. juunil Portugali vastu. Ühtegi mängu, kus Müller on värava löönud, pole Saksamaa kaotanud.
.jpg)
.jpg)
