2007 жылдың 14 қарашасында U-19 турнирінде ағылшын құрамасына қарсы ойынға қатысады.
2008 жылдың 3 қыркүйегінде, U-20 турнирінде Германияның атынан жалғыз рет шыққанда, Австрия құрамасына гол салады. Әрі қарай Томас турнирге қатыспайды, себебі Бундеслигадағы орнын жоғалтқысы келмейді.
2009 жылдың 11 тамызында 21 жасқа дейінгі Германия құрамасында шығады, осы матчта немістер Түркия құрамасынан 3:1 есебімен жеңіледі. Құрамасының атынан бірінші голды Сан-Мариноға қарсы салып, есепті 8:0 дейін жеткізеді, немістер 11:0 есебімен жеңіске жетеді.
Германия футбол құрама командасының атынан бірінші рет 2010 жылдың 3 наурызында Аргентинаға қарсы "Альянс Аренаға" шығады. Мюллер негізгі құрамада шығып, 66 минутте дебютант Тони Кроссқа ауыстырылады, ал немістер 0:1 есебімен жеңіледі.
Клуб құрамындағы ойыны үшін Томас 2010 жылғы футболдан әлем чемпионатының кеңейтілген мәлімдемесіне[1], кейін қорытынды мәлімдемесіне[2] 13 нөмір ретінде түседі. Осы нөмірмен құрама командада жарақат алып, турнирге қатыспаған Михаэль Баллак өнер көрсеткен болатын.
Алғашқы голын Мюллер 2010 жылдың 13 маусымында Австралия құрамасына қарсы салады, немістер 4:0 есебімен жеңеді[3]. Осы матча есепті ашқан Лукас Подольскиге ассист берген Томас болатын. Үшінші турдың Ганаға қарсы матчында, Мюллер осы ойында жалғыз гол салған Месут Өзілге ассист береді.
Финалдың 1/8 Англияға қарсы матчында Томас бірінші таймда гол салған Подольскиға ассист беріп, кейін өзі 39 жасар Дэвид Джеймстің қақпасына екі гол салып[4], немістер 4:1 есебімен жеңеді[5][6]. FIFA Томасты матчтың үздік ойыншысы ретінде танытады.[7][8].
Финалдың 1/4 Аргентинағы қарсы матчында 3 минутта Томас Бастиан Швайнштайгердің көмегімен есепті ашады, ал екінші таймда жатқан күйінде Подольскиға ассист беріп, ал Лукас Мирослав Клозеға гол салуға мүмкіндік береді. Матч 4:0 есебімен аяқталады[9][10]. 23 минутте Томас қолмен ойнағаны үшін сары карточка алып(біріншісін Ганаға қарсы ойында алды), келесі матчта қатыса алмайды. Нәтижесінде немістер 0:1 есебімен Испанияға беріледі[11]. 3 орын үшін Уругвайға қарсы ойыныда Томас бірінші таймда есеп ашады[12], немістер 3:2 есебімен қола медальдарын алады[13]. Томас матчтың үздік ойыншысы атанады[14].
2010 және 2014 жылғы әлем чемпионаттарында 5 голдан соғып, құраманың жетістігіне үлес қосты. Бріақ 2018 жылғы әлем чемпионатында мүлде көзге түспей, құрама топтық турнирден шыға алмады.