Müller 1976 és 1978 között 12-szer szerepelt a nyugatnémet válogatottban, kilenc gólt szerzett. Az 1976-os Eb elődöntőjében – első válogatott meccsén csereként pályára lépve – mesterhármast ért el Jugoszlávia ellen, majd a döntőben is gólt szerzett. Csapata ezüstérmes lett Csehszlovákia mögött, de a gólkirályi cím neki jutott.
A Franciaországban és Svájcban is légióskodó Dieter Müller az 1. FC Kölnben töltötte karrierje legszebb időszakát (326 mérkőzés, 231 gól), és a „kecskések" játékosaként állított fel egy ma is élő Bundesliga-rekordot: hatszor talált be a Werder Bremen kapujába egy 1977-es bajnoki meccsen (7–2).
Müller – aki csak névrokona sikeresebb kortársának, Gerd Müllernek – a közelmúltig a Kickers Offenbach elnökeként dolgozott.