Müller ha estado en el once inicial en los primeros ocho partidos calificadores de Alemania para la Eurocopa 2012, todos acabaron en la victoria. Anotó el primer hat-trick del torneo y fue nombrado mejor jugador del partido en la victoria por 4-0 ante Portugal. Asistió cinco goles, dos para Miroslav Klose y otras tres contra Selección de fútbol de Austria el 2 de septiembre de 2011, lo cual le aseguró la clasificación a Alemania con dos partidos sin jugar.
