No início de 2009, Müller assinou seu primeiro contrato como profissional. Durante a pré-temporada, Müller terminou como artilheiro do torneio amistoso Copa Audi. Torneio preparatório para a temporada, foi realizado no Allianz Arena, onde marcou seus dois gols na goleada sobre o Milan, por 4 a 1, sendo o primeiro e último seus. No início da temporada, acabou não sendo usado de início como titular da equipe, mas entrando no decorrer do segundo tempo. Na partida contra o rival Borussia Dortmund, um dia antes de completar vinte anos, Müller marcou dois gols na vitória por 5 a 1. Três dias depois, marcou mais uma vez, na vitória sobre o israelense Maccabi Haifa, e fechando setembro sendo eleito o melhor jogador do mês e recebendo elogios de seu xará, o lendário atacante Gerd Müller.

De início apenas uma aposta do treinador Louis van Gaal, Müller acabou se tornando mais importante para o elenco do Bayern, principalmente, atuando ao lado de Franck Ribéry e Arjen Robben, tanto que marcou seu primeiro hat-trick (três gols em uma mesma partida) na carreira, contra o Bochum, garantindo o título do Campeonato Alemão. Ao todo durante o campeonato, Müller disputou todas as trinta e quatro partidas (tendo iniciado vinte e nove), marcando treze vezes e dado onze assistências. Uma semana após o término do campeonato, o Bayern enfrentou o Werder Bremen na final da Copa da Alemanha. Tendo Müller iniciado a partida como titular, acabou sendo substituído no final do segundo tempo na vitória por 4 a 0, que garantiu o segundo título na temporada. Müller, foi o artilheiro do torneio com quatro gols, além de duas assistências.

Voltou a disputar uma final poucos dias após o título da Copa da Alemanha, quando enfrentou na final da Liga dos Campeões da UEFA a Internazionale. Müller iniciou a partida como titular, e teve uma grande chance aos trinta minutos de partidas, quando acabou tendo um chute defendido pelo goleiro Júlio César, quando o Bayern perdia por 1 a 0. Sua equipe acabou sofrendo mais um gol e perdendo o título europeu. Ainda assim, Müller foi um dos principais jogadores do Bayern na temporada, marcando dezenove vezes nas cinquenta e duas partidas disputadas, tendo em uma pesquisa realizada pela revista Kicker, sido eleito o melhor jovem jogador da temporada.

Continuando seu bom desempenho na temporada 2009/2010, a imprensa começou a considerar sua convocação para a Nationalelf, o que aconteceu em novembro do mesmo ano, para o amistoso contra a Costa do Marfim. Porém, com o suicídio do goleiro Robert Enke, e o cancelamento da partida anterior, acabou perdendo a chance de estrear, continuando apenas defendendo as equipes de base. Não demorou muito, e Müller conseguiu estrear com a camisa da Alemanha, na partida contra a Argentina, em março do ano seguinte. Tendo iniciado a partida como titular, acabou sendo substituído aos sessenta e seis minutos, por seu companheiro na época de Bayern Toni Kroos (que também estreava com a camisa germânica). A Alemanha perdeu por 1 a 0.

Como uma espécie de "recompensa" por sua ótima temporada, foi anunciado primeiramente entre os vinte e sete convocados para a disputa do Mundial na África do Sul e, tendo sido aprovado no período de testes, foi anunciado entre os vinte três jogadores finalistas que disputaram a Copa do Mundo de 2010 defendendo a Alemanha. Foi atribuído a Müller o número treze, pertencente ao capitão Michael Ballack, que acabou ficando de fora do torneio por lesão, e que durante anos pertenceu ao seu xará Gerd Müller.

Em sua primeira Copa do Mundo, estreou como titular na primeira partida, contra a Austrália. Com uma grande atuação durante os noventa minutos, deu o passe para o primeiro gol germânico na Copa, de seu ex-companheiro de Bayern, Lukas Podolski, aos oito minutos. Sessenta minutos após o passe, anotou seu primeiro tento na Copa, o terceiro da Alemanha na vitória por 4 a 0. Voltou a marcar novemente apenas em sua quarta partida na Copa, quando balançou a rede da Inglaterra duas vezes, aos sessenta e sete minutos de partida e três minutos depois, na vitória por 4 a 1. Marcou seu quarto tento logo aos três minutos na partida seguinte, na vitória sobre a Argentina, por 4 a 0. Após ficar de fora da partida das semifinais contra a Espanha, retornou na disputa do terceiro lugar contra o Uruguai, marcando o primeiro tento na vitória por 3 a 2. Curiosamente, a mesma posição que seu xará Gerd terminou em seu primeiro Mundial. Thomas também terminou como artilheiro com cinco tentos (assim como Gerd, mas com cinco a menos), juntamente com David Villa, Wesley Sneijder e Diego Forlán, recebendo a Chuteira de Ouro por distribuir mais assitências que os demais, além de terminar como líder em assistências, com três. Também fora eleito nas partidas contra Inglaterra e Uruguai o melhor em campo e, foi considerado a revelação do torneio.