Im Sommer 1990 wechselte er dann zum Hamburger SV. Obwohl er im April des folgenden Jahres seinen Vertrag bis 1995 verlängerte, wechselte er 1991 zu Lazio Rom und sanierte den HSV mit der damaligen Rekordablöse von ca 7,5 Millionen Euro. In den folgenden Jahren war er auch noch für Eintracht Frankfurt und AS Bari aktiv ehe er 2001 seine Profikarriere beim Hamburger SV beendete.
Er war sowohl für die Nationalmannschaft der DDR als auch der BRD aktiv. 1992 wurde er mit der DFB-Elf bei der EM in Schweden Vize-Europameister.
Ab 2001 war er dann als Trainer aktiv, in der Bundesliga unter anderem beim Hamburger SV und bei Borussia Dortmund. Mit der Begründung, er habe den HSV von einem Abstiegskandidaten in eine Spitzenmannschaft verwandelt, wurde Thomas Doll 2005 zum Mann des Jahres im deutschen Fußball und zum „Hamburger 2005“ gewählt.
In den 5 Jahren bei Ferencváros Budapest wurde er 3 Mal in Folge Pokalsieger (2015 - 2017) und gewann 2016 die ungarische Meisterschaft. Im gleichen Jahr wurde er auch zu Ungarns Trainer des Jahres gewählt.