Los goles en la primera mitad de Serge Gnabry y Robert Lewandowski dieron al Bayern el control en un Allianz Arena con entradas agotadas antes de que Emre Can convirtió un penalti después del descanso para el Dortmund.
Pero el adolescente Jamal Musiala disparó un gol tardío para provocar celebraciones tempranas en la multitud local.
Esta es la primera vez que un club gana 10 títulos consecutivos en una de las cinco ligas más importantes de Europa.
«El año no fue tan fácil. Por eso estoy feliz de que lo hayamos coronado con el título del campeonato», dijo el técnico del Bayern, Julian Nagelsmann, quien fue empapado en cerveza por sus jugadores.
La octava victoria consecutiva de los gigantes bávaros sobre el Dortmund deja al Bayern con una ventaja incuestionable de 12 puntos a falta de tres jornadas.
El título coronó una temporada de altibajos para el Bayern, que fue eliminado de la Liga de Campeones en los cuartos de final por el Villarreal a principios de este mes.
«Era importante que termináramos las cosas después de ser eliminados por el Villarreal», dijo el capitán del Bayern, Manuel Neuer.
«Todos lo querían, eso es lo especial de nuestro equipo».
Thomas Mueller, quien ganó la 11ª medalla récord de la Bundesliga, dijo: «Pudimos sacar algunas cosas de nuestro pecho. Ahora es maravilloso».
El Bayern dominó la primera mitad y Gnabry disparó una volea magnífica en la esquina superior desde el borde del área para darles una ventaja en el minuto 15.
A Gnabry se le anuló un segundo esfuerzo antes de que Lewandowski duplicara la ventaja 11 minutos antes del medio tiempo.
Fue el gol número 27 del delantero polaco en 26 partidos contra el Dortmund, al que se fue al Bayern en 2014.
Pero su futuro está en duda, con el contrato de Lewandowski el próximo año y el Barcelona estaría interesado en llevarlo al Camp Nou.
«Algo va a pasar pronto. Lo único que sé es que habrá una reunión (con el Bayern)», dijo a Sky.
El Dortmund respondió temprano en la segunda mitad cuando Can convirtió un penal luego de que Marco Reus fuera derribado en el área.
Los visitantes vieron sus apelaciones por otro lanzamiento desde el punto de penalti con 30 minutos para el final cuando Lucas Hernández derribó a Jude Bellingham en el área.
Lewandowski ganó la batalla de los delanteros estrella de la Bundesliga cuando Erling Haaland, a quien se le ha vinculado con una transferencia de mucho dinero al Manchester City, no pudo anotar a pesar de que obligó al portero del Bayern Manuel Neuer a realizar dos atajadas al final.
Musiala puso el resultado fuera de toda duda cuando anotó segundo después de que su tiro inicial fuera detenido por el portero del Dortmund, Marwin Hitz.
– Los últimos goles del Union sorprenden al Leipzig –
Más temprano, Union Berlin anotó dos goles tardíos para lograr una victoria por 2-1 en RB Leipzig, que mantuvo vivas sus esperanzas de clasificarse para la Liga de Campeones.
Bayer Leverkusen derrotó 4-1 al colista Greuther Fuerth para arrebatarle el tercer lugar a Leipzig y colocarse tres puntos por delante del Freiburg, quinto clasificado, en la carrera por los cuatro primeros.
Freiburg perdió la oportunidad de empatar a puntos con Leipzig, concediendo un empate tardío en un empate 3-3 con Borussia Moenchengladbach.
El Union está solo dos puntos más atrás en el sexto lugar, con cinco clubes, incluido el Colonia en el séptimo lugar, separados por solo seis puntos con tres juegos restantes en la batalla para llegar a la fase de grupos de la Liga de Campeones de la próxima temporada.
Yussuf Poulsen adelantó al Leipzig al comienzo de la segunda mitad para encaminar a los anfitriones hacia su segunda victoria en cuatro días sobre el Union, al que vencieron 2-1 en las semifinales de la Copa de Alemania el miércoles.
Sin embargo, Union se vengó de la derrota en la copa cuando los suplentes Sven Michel y luego Kevin Behrens anotaron en los minutos 86 y 88.
El Union busca llegar a la Liga de Campeones por primera vez en su tercera temporada desde que ascendió a la Bundesliga.
Freiburg, que también esperaba su primera aparición en la competición más importante de Europa, parecía dispuesto a aumentar la presión sobre el Leipzig, que remontó un 2-0 en contra en el descanso para liderar al Gladbach.
Pero Lars Stindl marcó para el equipo visitante en el tercer minuto del tiempo de descuento.
Fuerth finalmente descendió después de su derrota ante Leverkusen, habiendo estado último en la tabla desde septiembre.
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