Thomas Döller erhielt seine künstlerische Ausbildung an der Folkwang-Universität der Künste in Essen bei André Sebald (Flöte) und W. Meyendorf (Kammermusik).
1989 war er Stipendiat des DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst) und bereicherte  seine Studien durch Meisterkurse bei Peter-Lukas Graf.
Er konzertierte mit verschiedenen Kammerorchestern als Solist im In- und Ausland (in England, Frankreich und in der Schweiz). Mit dem Leonardo Bläserquintett spielte er zahlreiche Konzertabende, mit dem studio-orchester-duisburg trat er wiederholt als Solist in Erscheinung, unter anderem mit dem Konzert für Flöte, Harfe und Orchester von W. A. Mozart. Mit der Rhein-Ruhr-Philharmonie führte er 2012 als Solist die Variationen über ein Thema von F. Couperin für Flöte, Harfe und Streichorchester von Hendrik Andriessen auf.
 Thomas Döller prägt seine Vorliebe für kammermusikalische Besetzungen, und schon während seines Studiums beginnt eine kontinuierliche Zusammenarbeit mit dem Gitarristen Jürgen Schwalk. Mit diesem war er wiederholt Gast bei internationalen Kammermusikfestivals in der Türkei, Italien und in Mexiko.
Seit 2009 beschäftigt sich Thomas Döller mit den Klangmöglichkeiten von Kohle für den Flötenbau. Er fertigt Kopfstücke mit Mundplatten aus Cannelkohle und experimentiert mit verschiedenen Metallrohren aus Titan, Messing oder Silber. Im Rahmen der Kulturhauptstadt Ruhr.2010 stellte er sein Projekt “Wie klingt Kohle” erstmals der Öffentlichkeit vor.
Der WDR 3 sendete im Februar 2015 im Rahmen seiner Sendereihe „Szene NRW“ ein Porträt des Flötisten und stellte seine neuesten Arbeiten im Bereich improvisierter Musik und des Jazz vor. Seit dieser Zeit arbeitet Thomas Döller mit dem Jazz- Pianisten Marc Brenken zusammen.
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