โทมัส มึลเลอร์ เข้าร่วมสโมสรไบเอิร์นมิวนิกเมื่อปี ค.ศ. 2000 ขณะอายุได้เพียง 11 ปีและทำผลงานได้ดีขึ้นเรื่อยๆ จนในปี ค.ศ. 2008 เขาจึงได้เลื่อนจากระดับเด็กฝึกหัดและนักเตะระดับเยาวชนขึ้นมาอยู่ในระดับทีมสำรองและทำผลงานได้ดีมากขึ้นตามลำดับจนได้เป็นดาวซัลโวของลีกทีมสำรอง และเพราะฝีเท้าที่ดีของเขา ลูวี ฟัน คาล (กุนซือในขณะนั้น) จึงดึงเขาขึ้นมาเล่นให้กับทีมชุดใหญ่และประเดิมสนามในนามทีมชุดใหญ่นัดแรกในศึกบุนเดิสลีกาที่พบกับทีมฮัมบัวร์เกอร์ เมื่อวันที่ 15 สิงหาคม ค.ศ. 2008