Народився 14 липня1801 року в Кобленці. Закінчив Боннський університет (1822). З 1824 року — приват-доцент, а з 1826 року — професор анатомії Боннського університету. У 1833 році зайняв місце професора анатомії, а також директора анатомічного театру в Берлінському університеті.
Наукова діяльність Мюллера була дуже різнобічною: він займався анатомією, фізіологією, ембріологією, порівняльною анатомією, гістологією, палеонтологією. Основні його праці присвячені вивченню центральної нервової системи (головним чином рефлекторної діяльності спинного і довгастого мозку) і органів чуття. Він провів цінні спостереження над органами зору і над симпатичною нервовою системою безхребетних, виконав ряд досліджень з систематики риб, земноводних, птахів.
В області фізіології органів чуття Мюллер дотримувався концепції так званої «специфічної енергії», згідно з якою відчуття, що виникають у людини при пізнанні зовнішнього світу, не є відображенням об'єктивної реальності, а проявом внутрішніх властивостей самих органів чуття.
У своїх дослідженнях Мюллер широко застосовував мікроскоп. З його допомогою він вивчив мікроскопічну будову сполучної, хрящової, кісткової тканин, тканини нирок в нормі та патології. Відомі його праці про тонку будову і форми пухлин. Мюллер вперше спробував створити класифікацію новоутворень на основі зіставлення структури пухлин і їхнього розвитку. Мюллер детально описав людський зародок на ранніх стадіях розвитку, досліджував процес його дихання, відкрив зародкові ходи, які пізніше на його честь було названо «Мюллерові канали». Він є автором відомого підручника з фізіології людини (Handbuch der Physiologie des Menschen, 1834—1840), який витримав кілька видань. У ньому вперше фізіологія представлена як експериментальна наука.
Berrios G E (2005) On the fantastic apparitions of vision by Johannes Müller. History of Psychiatry. 16:229-46. [1] [Архівовано 17 жовтня 2006 у Wayback Machine.]* Virchow, Johannes Müller, Eine Gedächtnisrede (Berlin, 1858)
De Bois-Reymond, (Abhandlungen der Berliner Akademie, Berlin, 1859), containing a list of his works
Bischoff, Ueber Johannes Müller und sein Verhältnis zum jetztigen Standpunkt der Physiologie (Munich, 1858)