A los 7' del partido ante Corea del Sur, por octavos de final de la Copa Mundial Sudáfrica 2010, venció el récord de imbatibilidad en el arco Celeste durante una Copa del Mundo, que ostentaba hasta ese momento Ladislao Mazurkiewicz.
En los cuartos de final, ante Ghana, en la definición por penales detuvo los tiros de John Mensah y Dominic Adiyiah dándole el pase a su equipo a las semifinales.
El 16 de julio de 2011, demostró tener una gran capacidad técnica y de reflejos, por lo cual se convirtió en la figura clave del triunfo de su selección sobre el equipo local por los cuartos de final de la Copa América Argentina 2011. De hecho, le detuvo un penal a Carlos Tévez, en la serie por penales que Uruguay le ganó por 5 a 4 al anfitrión, Argentina, por lo que recibió el reconocimiento de la organización al mejor jugador de aquel encuentro.
El 12 de mayo de 2014 el entrenador de la selección uruguaya, Óscar Washington Tabárez, incluyó a Muslera en la lista provisional de 25 jugadores con los que inició la preparación para la Copa Mundial de Fútbol de 2014.[3][4][5] Finalmente fue confirmado en la lista definitiva de los 23 jugadores el 31 de mayo.[6][7][8] Fue el arquero titular de Uruguay en los cuatro partidos que disputó su selección en el torneo.[9]
Después de su participación en el mundial de Catar 2022, Muslera fue suspendido por cuatro partidos por agredir a oficiales durante el partido contra Ghana.[10]
