2008-09赛季，他代表拜仁二队参加德丙联赛，32场攻入15球，在德丙射手榜中排名第五，顺利进入一队大名单。
2008年夏天，拜仁历史上的传奇球星盖德·穆勒在一次专访中，点名称赞了托马斯·穆勒出色表现，看好他成为拜仁青训营脱颖而出的球星。在拜仁青训营崭露头角的穆勒很快吸引了众多德国劲旅的关注，慕尼黑1860和斯图加特都曾派出球探考察穆勒。
2008年8月15日，拜仁慕尼黑对阵汉堡的德甲联赛中，最后10分钟穆勒替换米罗斯拉夫·克洛泽出场，完成了其在一线队的正式首秀。在2008-09赛季，穆勒获得了三次德甲出场机会。
2008年年底，刚刚夺得德甲半程冠军的霍芬海姆
私下接触穆勒，打算用一份丰厚的合同将其签下，并且许诺给他比在拜仁多得多的出场机会。但穆勒拒绝了，他表示自己在拜仁已经待了9年，更愿意在拜仁证明自己。
2009年2月，穆勒与其二队队友霍尔格·巴德施图伯得到了一份为期2年、截止到2011年的新合同，从2009-10赛季起生效。2009年夏天，穆勒被提拔上拜仁一队，成为了一线队的正式一员。从一开始，穆勒就被定位为克洛泽、戈麦斯、托尼和奥利奇之后的拜仁第五前锋。
2009年3月11日，欧冠1/8决赛第二回合，拜仁慕尼黑主场对阵里斯本竞技，第72分钟，穆勒换下施魏因斯泰格。第90分钟，索萨开出角球，替补登场的穆勒混战中近距离破门，成功地完成了其个人在欧洲赛场的首演。最终拜仁在主场7：1大胜，总比分12：1淘汰里斯本竞技晋级8强。
2009年9月12日，拜仁和多特蒙德的比赛，穆勒再次替补登场，本场比赛他独中两元，帮助拜仁5：1横扫对手，不仅打入德甲处子球，还超额完成了任务。他也在赛后被媒体评为本场比赛的最佳球星。
2009年9月13日，盖德·穆勒将托马斯·穆勒钦点为自己的接班人。
2009年9月16日，2009-10赛季欧冠第一轮，拜仁对阵海法马卡比，比赛第85分钟，奥特尔禁区内接普拉尼奇直塞球回敲中路，穆勒在禁区弧顶处得球后右脚抽射球门底角得分，将比分扩大为2：0。3分钟后戈麦斯利用速度摆脱后卫防守后右路传中，穆勒门前近距离右脚捅射破网，将比分定格为3：0。
2010年5月1日，2009-10赛季德甲第33轮，拜仁主场迎战波鸿，第18分钟，穆勒门前两米处接拉姆传中抢点破门。第20分钟，穆勒接里贝里传球头球攻门。第69分钟，穆勒在禁区中接到范博梅尔的助攻，一脚射门穿过后卫直奔球门死角，黑尔瓦根扑救不及，穆勒完成了自己在拜仁一队的首个帽子戏法，最终帮助拜仁3：1击败波鸿，力压主场0：2负于不来梅的沙尔克04提前夺得德甲联赛冠军。
2012年5月20日，第57届欧冠决赛，拜仁主场迎战切尔西，第83分钟，克罗斯左路斜传，穆勒后点距门5米处冲顶弹地越过切赫指尖贴横梁入网，顶进冠军联赛决赛史上第50球，拜仁1:0领先。穆勒是2001年埃芬博格之后首位欧冠决赛进球的德国球员。但德罗巴随即头槌扳平。点球决战中拜仁3：4告负。
2012年12月19日，拜仁慕尼黑宣布与穆勒签约至 2017年6月30日。
2013年4月24日，欧洲冠军联赛半决赛首回合，拜仁主场迎战巴塞罗那，第24分钟，丹特头球摆渡，穆勒右门柱边冲顶首开记录。第49分钟，穆勒接罗本右侧开出的角球，后点头球摆渡，助攻戈麦斯，穆勒成为欧冠近10个赛季首位对阵巴萨同时贡献进球和助攻的德国球员。第82分钟，穆勒在门前5米处推进空门。穆勒2012-13赛季欧冠攻破了所有6个对手的球门，成为继齐克勒和埃芬博格之后，欧冠第3位攻破巴萨球门的德国球员。他也是继齐克勒对阵皇马之后，欧冠第2位单场两破西甲球队大门的德国球员。最终拜仁慕尼黑以4：0取胜，创造冠军联赛半决赛最悬殊比分。
2013年5月26日，2012-13赛季欧洲冠军联赛决赛中，穆勒也多次帮助队友获得得分机会，最终拜仁慕尼黑2：1战胜多特蒙德，捧得第五座大耳朵杯。拉姆、施魏因施泰格和穆勒共同创造德国球员参加冠军联赛决赛纪录（3次），23岁254天的穆勒也成为第7年轻的3次出战冠军杯决赛的球员。
2013年3月31日，2012-13赛季德甲第27轮，拜仁9：2大胜汉堡，穆勒在汉堡队禁区上演了一幕“狗刨式”突破法，连滚带爬地晃过了汉堡队两名防守球员。
2013-14赛季德甲联赛中，穆勒出场29次，打进13粒进球，贡献10次助攻，帮助拜仁慕尼黑卫冕德甲冠军。在欧冠联赛中，穆勒出场12次，打进5粒进球，贡献1次助攻，却依然无法阻止拜仁慕尼黑在欧冠半决赛两回合0：5惨败给本届欧冠冠军皇家马德里。在德国杯中，穆勒出场6次，打进8球，帮助拜仁慕尼黑夺取德国杯冠军，并夺取德国杯金靴。
2014年6月11日 穆勒与拜仁续约至2019年。
2015年12月18日，德甲豪门拜仁慕尼黑宣布与穆勒续约至2021年。据德国媒体报道称穆勒的薪水将涨到1350万欧元，是拜仁队内工资最高的球员之一。
2016年3月17日3时45分(德国当地时间16日20时45分)，欧冠1/8决赛次回合，拜仁主场加时赛4比2击败尤文图斯，总比分6比4晋级，穆勒打入拜仁的第二个入球，超越盖德-穆勒(34球)，创造德国球员冠军杯进球新纪录(35球)。
2016年12月25日，英国《卫报》2016年度百大球星正式出炉，排名第31 。
穆勒的国家队
生涯始于2004年入选的德国16岁以下国家足球队。此后，他还曾代表德国各级别的青年队参赛。
2009年8月，托马斯·穆勒首次被召入德国U21青年队，并在2009年8月11日球队3：1击败土耳其U21青年队的比赛中出场。
2010年3月3日，德国和阿根廷进行的友谊赛上，穆勒完成了自己国家队的处子秀。
2010年6月14日凌晨，南非世界杯D小组首轮争夺中，德国队4：0大胜澳大利亚队，第8分钟穆勒反越位成功后回传后点，波多尔斯基后插上后大力施射完成进球，完成一次助攻。第68分钟，穆勒前插接波多尔斯基传球后，摆脱对方后卫并打远角，球中柱弹入网中。穆勒为德国队打入第3球，这也是他在世界杯上的处子球。
2010年6月27日，世界杯1/8决赛，德国4：1战胜英格兰，第32分钟，穆勒禁区里接克洛泽挑传，分球给左路的波多尔斯基，波多尔斯基稍作调整小角度打穿英格兰大门，德国队2：0领先。穆勒在第67分钟反击中接施魏因施泰格传球大力抽射破门，将比分扩大到3：1。第70分钟穆勒接到厄齐尔左路传球后一脚推射将比分锁定在4：1。穆勒世界杯首次梅开二度，获本场比赛最佳球员评价。
2010年世界杯1/4决赛前，穆勒在参加赛前发布会时被马拉多纳误认成一个走错地方的球童，老马用西班牙语呵斥了穆勒一番，穆勒由于对西班牙语完全不懂，只好一直看着马拉多纳，将昔日球王气得离席而去。
2010年7月3日，世界杯1/4决赛，德国4：0大胜阿根廷，第3分钟，施魏因斯泰格左侧开出任意球，穆勒抢在奥塔门迪前面，在前点距门7米处头球一蹭，门将罗梅罗判断失误，球碰他右小腿弹进大门中路，1：0。在这场比赛中穆勒被判手球得到一张黄牌，因为赛前已经身背一张黄牌，穆勒因此缺席同西班牙的半决赛。
2010年7月11日，世界杯季军争夺战，德国3：2战胜乌拉圭，获得季军。比赛第19分钟，施魏因斯泰格外围远射，穆斯莱拉倒地扑球脱手，穆勒跟进补射空门得手，德国1：0领先，这是他本届世界杯第5粒进球。穆勒在南非世界杯上攻入5球，并有3次助攻，收获了世界杯金靴奖和最佳新秀，成为了历史上最年轻的金靴奖。
2014年6月17日，巴西世界杯G组小组赛，德国4：0大胜葡萄牙，穆勒上演帽子戏法，第11分钟，穆勒主罚点球得分。第45分钟，克罗斯左路斜传禁区，阿尔维斯停球失误，穆勒抓住机会左脚大力抽射破门。第78分钟，许尔勒禁区右侧传中，门将帕特里西奥扑球脱手，穆勒门前补射破门，赛后穆勒当选本场最佳球员。
2014年6月27日，巴西世界杯G组第三轮，德国1：0战胜美国，两队携手晋级。第55分钟，厄齐尔右路传中，默特萨克甩头攻门，霍华德飞身扑出，穆勒禁区边缘右脚大力推射，皮球飞入大门右下角，赛后穆勒当选本场最佳球员。
2014年7月1日，巴西世界杯1/8决赛，德国经过加时苦战2：1击败阿尔及利亚，连续16届杀入8强。第92分钟，托马斯-穆勒左路强行突破之后传中，许尔勒门前包抄用脚后跟将球挡入网内。
2014年7月9日，巴西世界杯半决赛，德国7：1狂胜巴西，刷新了世界杯半决赛最大分差纪录。第11分钟，托尼·克罗斯右侧角球传中，穆勒在无人看防的情况下凌空垫射破门，替德国首开记录，这是穆勒本届杯赛的第5个进球。
2014年7月14日，巴西世界杯决赛，德国通过加时赛1：0击败阿根廷夺冠，穆勒首发登场，协助德国队收获了第四座世界杯冠军奖杯。本届世界杯上，穆勒收获了两座全场最佳球员奖杯（德国VS葡萄牙、德国VS美国），以7场5球3助攻的成绩收获了国际足联巴西世界杯银靴奖，还被评选为国际足联巴西世界杯银球奖。
▪ 2014 2013-14赛季德国足球甲级联赛冠军 （获奖）
▪ 2014 2013-14赛季德国杯冠军 （获奖）
▪ 2013 2012-13赛季欧洲足球冠军联赛冠军 （获奖）
▪ 2013 2012-13赛季德国足球甲级联赛冠军 （获奖）
▪ 2013 2013年欧洲超级杯冠军 （获奖）
▪ 2013 2012-13赛季德国杯冠军 （获奖）
▪ 2013 2013年世俱杯冠军 （获奖）
▪ 2012 2011-12赛季欧洲足球冠军联赛亚军 （获奖）
▪ 2012 2011-12赛季德国足球甲级联赛亚军 （获奖）
▪ 2012 2011-12赛季德国杯亚军 （获奖）
▪ 2010 2009-10赛季欧洲足球冠军联赛亚军 （获奖）
▪ 2010 2009-10赛季德国足球甲级联赛冠军 （获奖）
▪ 2010 2009-10赛季德国杯冠军 （获奖）
