Ganó o suyo segundo partiu internacional en a zaguera trobada antes d'a Copa d'o Mundo, substituindo a Piotr Trochowski en un partiu que remató 3–1 frent a Bosnia y Herzegovina. Estió titular en o primer partiu d'a Copa Mundial con Alemanya en una victoria de 4–0 sobre Australia y anotó o suyo primer gol internacional, o tercer d'o partiu. Con ell ganó o premio a o «gol d'o mes d'Alemanya». Chugó en muitos d'os partius de l'equipo alemán, que se clasificó pa os uitens, marcó dos gols y aduyó en a victoria de 4–1 sobre Inglaterra. Anotó o suyo quatreno gol d'o torneo en os quartos de final contra Argentina, ubrindo a puntuación en o tercer menuto, an remató 4–0. Manimenos, obtenió a suya segunda tarcheta amariella d'o torneo en a segunda metat, por ixo no chugó contra Espanya - Müller dició que se sintió muito mas nervioso veyendo o chuego que si estase capaz de chugar. Dimpués tornó a l'equipo pa o partiu contra Uruguay, anotando o primer gol, Alemanya remató 3–2, prenendo a medalla de bronce. Con cinco gols acabó como goliador en a parte superior d'o torneo, y as suyas tres asistencias significoron que ganase a Bota d'Oro. Tamién conquirió o premio a o millor chugador choven, debant d'atros candidatos: André Ayew de Ghana y Giovani Dos Santos de Mexico. En totz dos casos obtenió os premios d'os suyos companyers d'equipo, Miroslav Klose y Lukas Podolski que aconsiguioron os premios respectivos en 2006. En octubre de 2010, estió nombrau en a preselección pa o premio «Ballon D'Or», de conchunta con quatro alemans. Reflexionando sobre o suyo exito en a Copa Mundial, Müller dició «basicament tenié suerte, truco chusto en o momento correcto».