Cấp câu lạc bộ

Muller gia nhập FC Bayern München vào năm 2000 khi mới 10 tuổi, và đã thi đấu cho các lứa đội trẻ, rồi có trận ra mắt cho đội dự bị vào tháng 3 năm 2008, ở một trận đấu trong khuôn khổ Regionalliga gặp SpVgg Unterhaching. Anh ghi bàn đầu tiên và có hai lần nữa được ra sân ở mùa giải 2007-08, trước khi phải ngồi ngoài vì chấn thương.

Mùa giải tiếp đó, đội Bayern II được chơi ở giải hạng 3, và Müller chứng tỏ vai trò của mình với việc chơi 32 trên tổng số 38 trận, ghi 15 bàn, trở thành cầu thủ đứng thứ 5 trong số top ghi bàn. Anh cũng được chơi ở đội I, xuất hiện trong các trận giao hữu trước mùa giải, và có trận thi đấu đầy đủ đầu tiên vào ngày 15 tháng 8 năm 2008 ở Bundesliga gặp Hamburger SV. Anh có 3 lần nữa ra sân ở Bundesliga trong mùa giải đó, và có trận ra mắt ở UEFA Champions League vào ngày 10 tháng 3 năm 2009, vào sân thay Bastian Schweinsteiger ở phút 72 trong trận thắng 7-1 trước Sporting Lisbon. Anh ghi bàn cuối cùng của Bayern và ấn định kết quả 12-1 tổng tỉ số.

Müller đã có tiếng nói quan trọng hơn trong đội hình I của Bayern ở phần đầu mùa giải 2009-10, vào tháng 8 năm 2009 anh được gọi vào đội tuyển U21 Đức lần đầu tiên, có trận ra mắt trong trận thắng 3-1 trước Thổ Nhĩ Kỳ.

Vào ngày 12 tháng 9 năm 2009, Müller vào sân từ ghế dự bị trong trận gặp Borussia Dortmund và ghi hai bàn trong chiến thắng 5-1. Ba ngày sau, Muller tiếp tục ghi bàn trong trận đấu ở Cúp C1 gặp Maccabi Haifa.

Kết thúc mùa giải 2013–14, Müller ký gia hạn hợp đồng với Bayern đến năm 2019[2] Müller ra sân trong trận Siêu cúp nước Đức 2014 nhưng đội bóng của anh đã bị Borussia Dortmunt đánh bại với tỉ số 2-0[3] Anh có bàn thắng đầu tiên trong mùa giải 2014-15 trong trận đấu với Preußen Münster tại Cúp quốc gia Đức vào ngày 17 tháng 8 năm 2014.[4] Năm ngày sau, anh là người ghi bàn thắng mở màn cho München tại Bundesliga 2014-15 trong chiến thắng 2-1 trước VfL Wolfsburg.[5]

Ngày 11 tháng 3 năm 2015, Müller lập cú đúp trong chiến thắng 7-0 trước Shakhtar Donetsk tại UEFA Champions League.[6] Sau đó pha lập công trong chiến thắng 6-1 trước Porto ngày 21 tháng 4 giúp anh trở thành cầu thủ người Đức ghi bàn nhiều nhất tại đấu trường UEFA Champions League.[7]

Đội tuyển quốc gia

Vào tháng 10 năm 2009, việc được ra sân thường xuyên giúp Muller được gọi vào đội tuyển Đức bởi huấn luyện viên trưởng Joachim Löw[8][9][10], và tháng sau đó, anh được điền tiên vào đội hình dự trận gặp Bờ Biển Ngà, nhưng sau cái chết của Robert Enke, và trận đấu được huỷ bỏ, Muller được khuyên là nên về lại đội U-21 để chuẩn bị cho 2 trận đấu tiếp theo.

Tháng 6 năm 2010, Muller lên đường sang Nam Phi cùng các đồng đội tham gia giải vô địch bóng đá thế giới FIFA World Cup 2010 với tư cách là cầu thủ trẻ nhất khi anh chỉ mới 20 tuổi. Trận đấu đầu tiên với Australia, ở phút 68, Muller đã có riêng cho mình một bàn thắng sau khi tạo cơ hội cho đồng đội đánh thủng lưới Australia ở phút thứ 8. Tính đến trận tranh bán kết, Muller đã ghi thêm được 3 bàn nữa vào lưới Anh (2 bàn) và Argentina. Trận bán kết anh không được tham dự do đã bị 2 thẻ vàng. Tuy nhiên khi quay trở lại trong trận gặp Uruguay, anh đã chơi rất xuất sắc, ghi 1 bàn thắng và được bầu là cầu thủ xuất sắc nhất trận đấu. Kết thúc World Cup 2010 anh đã dành 2 danh hiệu cao quý: Chiếc giày vàng (Vua phá lưới) với 5 bàn thắng và 3 đường kiến tạo trong 6 trận, Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất. Đó là phần thưởng xứng đáng nhất dành cho những gì anh đã cống hiến cho người hâm mộ. Anh chính là phát hiện lớn nhất tại kỳ World cup 2010.[11]

Tại World Cup 2014, Thomas Muller tiếp tục là một trong những trụ cột của đội tuyển Đức,anh ra sân từ đầu trong tất cả bảy trận đấu của đội tuyển Đức tại giải đấu này. Anh đã thi đấu xuất sắc, đóng góp rất lớn vào chức vô địch của đội tuyển Đức. Có thể kể đến cú hattrick vào lưới Bồ Đào Nha ở trận đấu mở màn, đường chuyền thành bàn cho Mario Götze mở tỷ số trong trận hòa 2-2 với Ghana ở vòng bảng và kết thúc vòng bảng với bàn thắng duy nhất trong trận thắng 1-0 trước Hoa Kỳ. Sang vòng đấu loại trực tiếp, vai trò của Muller càng được khẳng định khi anh đóng góp đường chuyền dọn cỗ để André Schürrle ghi bàn thắng quan trọng vào phút thứ hai của hiệp thi đấu phụ trong trận đấu với Algérie qua đó chung cuộc đội tuyển Đức thắng 2-1. Trong trận bán kết gặp đội tuyển Brazil, chính anh là người mở tỉ số và đồng thời cũng là người kiến tạo bóng cho Miroslav Klose ghi bàn thắng thứ 16 của mình tại các kì World Cup giúp đội tuyển Đức có được chiến thắng lịch sử 7-1 trước người Brazil. Trong trận chung kết với Argentina, Müller cùng các đồng đội đã đánh bại Argentina với tỉ số 1-0 bằng bàn thắng của cầu thủ vào sân thay người Mario Götze và giành được chức vô địch World Cup lần thứ 4 trong lịch sử cho bóng đá Đức.

Anh tiếp tục có tên trong danh sách 23 cầu thủ tham dự World Cup 2018 tại Nga. Tuy nhiên đội tuyển Đức đã trở thành nhà cựu vô địch sau khi thất bại trước Hàn Quốc với tỉ số 0-2 ở lượt trận cuối vòng bảng.