Doll kariyerine Alman alt küme ekiplerinden doğduğu kasabanın futbol takımı BSG Lokomotiv Malchin'de başladı. Daha sonra Doğu Almanya 1. ligi DDR-Oberliga takımı Hansa Rostock'a transfer oldu. Sene 1986'yı gösterdiğinde ise dönemin güçlü ekiplerinden BFC Dynamo forması giyen Doll, burada 1987 ve 1990 yıllarında olmak üzere iki lig şampiyonluğu yaşadı. Doğu ve Batı Almanya'nın birleşmesinin ardından Thomas Doll milli takım için Doğu Alman cephesinden gelen en çok rağbet edilen oyuncu konumundaydı. Thomas Doll 1990 yılında Hamburg şehri takımı HSV ile sözleşme imzaladı. Buradaki etkileyi performansının ardından İtalyan futbol devi Lazio'nun dikkatini çeken Doll, İtalya macerasına yelken açtı. Lazio'da üç sezon forma giydikten sonra 1994 yılında Bundesliga ekiplerinden Eintracht Frankfurt'a transfer oldu. Frankfurt'ta sakatlıklarla boğuşup iki sezonda sadece 28 maça çıkabilen Doll, iki yıllık Bari serüveninin ardından HSV'de üç sezon daha oynadıktan sonra 2001 yılında aktif futbolculuk kariyerine son verdi.
Profesyonal futbola vedasının ardından Bundesliga ekiplerinden HSV bünyesinde antrenörlük yapmaya başladı. 2002 yılından A takıma atandığı 2004 yılına kadar paf takımı çalıştırdı.
Hamburg macerasının başlarında bazı önemli başarılara imza attı. İlk sezonunda takımı kümede tuttu, Intertoto Kupası'nı kazandı ve 2005-06 sezonunda takımını geliştirerek beklenmedik şekilde lig üçüncülüğünü kazanıp Şampiyonlar Ligi vizesi aldı. 2006-07 sezonu ise kariyeri açısından en kötü sezon olarak tarihe geçti. Şampiyonlar Ligi'nde 6 maçta alınan tek galibiyet ve Bundesliga'da sezonun ilk yarısında ligin dibine demir atılması sonunu hazırladı. 1 Şubat 2007 itibariyle HSV yönetimi tarafından görevine son verildi.