3 марта 2010 года дебютировал в национальной сборной Германии в товарищеском матче со сборной Аргентины на мюнхенской Алльянц Арене. Мюллер вышел в стартовом составе и был заменён на 66-й минуте на другого дебютанта Тони Крооса, а немцы уступили 0:1. После игры Томас признался:
Я пережил непередаваемые чувства, ведь в первый раз в жизни надел футболку сборной страны. Кроме того, немаловажен и тот факт, что матч состоялся в Мюнхене. Конечно, очень жаль, что проиграли, однако, думаю, что я не произвёл плохого впечатления.
