Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Gotze, 24, gjorde 83 Bundesliga framträdanden för Dortmund innan han gick Bayern München 2013.
Storleken på affären är okänd, även om rapporterna har antytt att den är i regionen £ 20m.
"Jag har sedan hans avresa 2013, alltid hoppats att han kommer att återvända till oss en dag," Dortmund VD Hans-Joachim Watzke berättade klubbens webbplats.
Gotze hjälpte Bayern till tre Bundesliga titlar, samt poäng Tysklands vinnande mål vid 2014 års VM.
Hans flytt till Bayern för en rapporterad 37 miljoner euro (31,5 miljoner pund) var den dyraste tyska överföringen på den tiden.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Borussia Dortmund har omplacerat Mario Gotze på ett fyraårigt avtal.