W następnym sezonie w 3. lidze stał się kluczowym zawodnikiem Bayernu Monachium II, rozgrywając 32 spotkania na 38 możliwych oraz strzelając 15 bramek. Po tych bardzo dobrych występach w Bayernie Monachium II, został powoływany na towarzyskie spotkania przedsezonowe pierwszego zespołu. W nich również bardzo dobrze się spisywał co zaowocowało debiutem w Bundeslidze, w spotkaniu przeciwko Hamburgerowi SV 15 sierpnia 2008, które Bayern zremisował 2:2. Oprócz tego spotkania rozegrał jeszcze 3 mecze w Bundeslidze. 10 marca 2009 zadebiutował w Lidze Mistrzów UEFA zmieniając w 72. minucie Bastiana Schweinsteigera w spotkaniu przeciwko Sportingowi CP. Müller strzelił w tym meczu gola, a Bayern, wygrywając drugi mecz 7:1 przeszedł do ćwierćfinału z wynikiem dwumeczu 12:1. 12 września 2009 wszedł z ławki rezerwowych, strzelając dwie bramki Borussii Dortmund w wygranym 5:1 spotkaniu przez Bayern Monachium. 15 września 2009 w meczu grupowym Ligi Mistrzów strzelił dwie bramki Maccabi Hajfa, a Bayern Monachium wygrał 3:0. 19 maja 2012 strzelił gola w finale Ligi Mistrzów przeciwko Chelsea, ostatecznie zremisowanym 1:1 i przegranym w rzutach karnych 4:3 przez Bayern. 23 kwietnia 2013 w wygranym 4:0 półfinałowym meczu rozgrywek Ligi Mistrzów UEFA z FC Barceloną strzelił dwie bramki.