Dari tahun 2002 sehingga 2007, beliau merupakan pemain muda yang bermain di Bayern Munich. Beliau bermain untuk Bayern Munich II sebelum menandatangani kontrak profesional pada Julai 2009 bersama Thomas Müller. Beliau menunggu sebelum bermain pada musim 2008-09. Beliau membuat debut pada perlawanan liga pertamanya ketika menentang Hoffenheim. Beliau menjaringkan gol pertamanya ketika menentang Borussia Mönchengladbach melalui sepakan percuma pada 4 Disember 2009. Pada musim 2009-10, beliau bermain hampir kesemua perlawanan untuk Bayern.

Pada 4 Februari 2010, Bayern Munich mengumumkan bahawa Badstuber telah menandatangani kontrak baru sehingga tahun 2014. Pada musim 2010-11, Badstuber menjalani hubungan rapat dengan jurulatih Louis van Gaal, yang menaruh harapan tinggi kepaad beliau. Selepas ketibaan Jupp Heynckes, Badstuber bersama Jérôme Boateng menguatkan lagi benteng pertahanan Bayern yang tidak ditembusi sebarang gol sebanyak 11 perlawanan berturut-turut. Beliau menjaga benteng Bayern sehingga membawa pasukannya ke perlawanan akhir Liga Juara-Juara selepas mengalahkan Real Madrid, Napoli dan Manchester City sebelum tumpas kepada wakil Inggeris, Chelsea pada perlawanan akhir.

Pada 3 Februari 2013, Badstuber melanjutkan kontraknya bersama Bayern sehingga 2017. Badstuber mengalami kecederaan pada anteriornya semasa menentang Borussia Dortmund pada 1 Disember 2012 dan terpaksa terlepas banyak perlawanan untuk musim 2013-14. Beliau kembali semula dan menjalani latihan bersama skuad pada 5 Mei 2014 dan bermain pada perlawanan pertamanya sejak cedera pada 18 Julai 2014 pada perlawanan persahabatan menentang FC Memmingen, Bayern menang 3-0. Beliau tidak beraksi bersama Bayern selama mengalami kecederaan selama 594 hari.

Badstuber mengalami kecederaan paha ketika menentang VfB Stuttgart pada 13 September yang menyebabkan beliau terpaksa berehat sepanjang tahun. Beliau kembali ke sebelasan utama semasa Bayern menumpaskan Hamburger SV 8-0 pada 14 Februari dan beliau menjadi pemain pilihan pertama dalam skuad Pep Guardiola. Pada 11 Mac 2015, Badstuber menjaringkan gol pada minit ke-63 pada aksi Liga Juara-Juara menentang Shakhtar Donetsk, Bayern menang besar 7-0 dan layak ke pusingan seterusnya. Ini merupakan gol pertama buat Badstuber sejak Disember 2009 dan juga aksi pertamanya sejak 20 November 2012 menentang Valencia. Pada aksi suku akhir kedua Liga Juara-Juara menentang FC Porto, beliau mengalami kecederaan otot yang menyebabkan beliau terpaksa berehat sepanjang musim sambil menyaksikan Bayern membelasah Porto 6-1.