2009/10 sezonunun ilk 7 haftasında 21 puan toplayarak kulüp tarihinin başlangıç rekorunu kırdı. Mainz’ın başında 5 sezon kalan ve inişli çıkışlı dönemler yaşayan ancak oynattığı modern hücum futboluyla Almanya’da büyük beğeni toplayan Tuchel, 2011 yılında Almanya Futbol Federasyonu’nun ligde ve alt yapı çalışmalarında en başarılı olan teknik adamlara verdiği yılın antrenörü ödülünü aldı. Teknik direktörlüğü sırasında Mainz başında ligde 170, kupada 11 Avrupa Ligi’nde de 2 maça çıkan Tuchel, bunlarda % 42,7 galibiyet, % 22,5 beraberlik ve % 34,7 yenilgi oranları yakalarken Bundesliga’da 65 galibiyet 44 beraberlik ve 61 yenilgi yaşadı. Takımının 2 kez Avrupa Ligi’ne katılmasını sağladı.Bundesliga’da 2013-14 sezonun sonunda 7’inci sırayı alan ve Avrupa Ligi biletini garantileyen Thomas Tuchel, devre arasında Schalke 04 ve Bayer Leverkusen'in tekliflerini redetti. Daha sonra ise sezon sonunda 1 yıl daha sözleşmesi olmasına rağmen Mainz’dan ayrıldı.