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克洛泽首次参加2002年韩日世界杯，德国的首战对手是西亚劲旅沙特阿拉伯时，克洛泽在处子秀就上演自己在世界杯上的首个帽子戏法。在后面的比赛里他对爱尔兰和喀麦隆这样实力不俗的队伍都有进球让他本届杯赛的入球数定格在5个，最终获得银靴奖。
2006年德国世界杯，克洛泽一共打入5粒进球并助攻2次，6月10日，德国队4-2哥斯达黎加队的比赛中，克洛泽在第17分钟和第61分钟连下两城。6月20日，德国3-0击败厄瓜多尔。克洛泽梅开二度。6月24日，在1/8淘汰赛德国2-0瑞典上演精彩的助攻梅开二度，后又在1/4决赛对阵阿根廷在球队落后场面胶着的最后时刻挽狂澜之既倒打进扳平球。几乎凭借一己之力为德国队晋级四强最后夺得季军立下头功。个人也一举获得2006年德国世界杯的金靴金。
2010年南非世界杯，克洛泽在这次世界杯中为德国队攻入4粒进球，在淘汰赛对阵英格兰比赛中接门球单枪匹马首开纪录打进惊世骇俗的精彩进球。之后再对阵阿根廷的比赛中又上演梅开二度，率领球队连续以4-1、4-0创纪录的大比分狂胜对手挺进四强。
2014年巴西世界杯，在德国队和加纳队的小组赛中，克洛泽临危受命替补出场为球队扳平比分稳定住军心，在攻入这个重要进球后，克洛泽已经连续在四届世界杯上收获进球，并肩巴西球王贝利和德国老前辈席勒，同时总进球数达到15个，追平了罗纳尔多的纪录。并在之后的淘汰赛场场首发起到进攻梳理以及前场战术支点的关键作用。在德国队与巴西队的半决赛中，首发出场的克洛泽在第23分钟打进历史性的1球，这粒进球不光彻底击溃了巴西队，也让他以16个进球超越巴西前锋罗纳尔多的15个进球，成为了世界杯历史上进球最多的球员。2014年7月14日，克洛泽世界杯决赛首发出场随德国队获得巴西世界杯冠军。
2014年8月11日，克洛泽在代表国家队夺得了巴西世界杯的冠军之后，通过德国足协官网对外宣布正式退出德国国家队，结束13年辉煌的德国国家队的运动生涯。2014年9月3日，在德国队与阿根廷队在德国杜塞尔多夫举行一场足球友谊赛赛前，德国队为克洛泽举行了退役仪式。
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