Thomas Rostock schloss das Medizinstudium im Jahr 2000 an der Freien Universität Berlin ab und promovierte dort im selben Jahr. Im gleichen Jahr begann er seine ärztliche Laufbahn an der Klinik für Kardiologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (Prof. Dr. Thomas Meinertz).
In der Arbeitsgruppe für Elektrophysiologie (Prof. Dr. Stephan Willems) erfolgte die Ausbildung zum interventionellen Elektrophysiologen.
Von 2004 bis 2005 war er als Clinical and Research Fellow an der Universitätsklinik Bordeaux in der Arbeitsgruppe von Prof. Michel Haissaguerre tätig.
Im Jahr 2008 wurde er Oberarzt und habilitierte sich an der Universität Hamburg zum Thema der interventionellen Vorhofflimmertherapie.
Im Jahr 2011 folgte er dem Ruf auf die W2-Professur für Elektrophysiologie an die Universitätsmedizin Mainz, an der er die Abteilung für Elektrophysiologie aufbaute.
Seit 2015 besetzt er die erste W3-Professur für Rhythmologie in Deutschland, verbunden mit der Leitung der neu gegründeten Klinik für Kardiologie II an der Universitätsmedizin Mainz.