El futbolista de origen polaco estrenó su marcador mundialista con un «hat trick» en la goleada a Arabia Saudí (8-0), el 1 de junio de 2002, en la Copa del Mundo de Corea-Japón.
En ese mismo torneo, en el que Alemania fue subcampeona tras caer en la final frente a Brasil, el artillero volvería a marcar sendos goles ante Irlanda y Camerún.
En el Mundial de Alemania 2006, Klose comenzaría su cuenta con un doblete en el partido inaugural, contra Costa Rica, lo que repetiría también en la fase de grupos frente a Ecuador.
En este torneo, el germano-polaco marcó el gol del empate en cuartos de final ante Argentina, a la que Alemania acabaría batiendo en la tanda de penaltis, antes de sucumbir ante Italia en la semifinal.
En Sudáfrica 2010, cuando la «Mannschaft» repitió el tercer puesto del Mundial anterior, el delantero anotó cuatro tantos: uno frente a Australia en la fase de grupos, otro frente a Inglaterra en octavos y dos frente a Argentina en cuartos, antes de que la selección alemana fuera eliminada en la semifinal por España.