בינואר 2008 הושאל הומלס לבורוסיה דורטמונד. בעונתו הראשונה בקבוצה הרבה לשחק בהרכב, אך נפצע והחמיץ חלק גדול ממנה. בפברואר 2009 חתם הומלס על חוזה נוסף עם דורטמונד, אליה נמכר מבאיירן מינכן תמורת סכום של ארבעה מיליון אירו, והחל לבסס את מעמדו בהגנת הקבוצה. בעונת הצטיין הומלס בהגנת דורטמונד לצד נבן סובוטיץ', ויכולתם הייתה בין הגורמים העיקריים שסייעו לדורטמונד לשוב ולזכות באליפות הבונדסליגה. הומלס הצטיין באותה עונה בקריאת המשחק וביכולת התיקול שלו. בעונת 2011/12 הומלס זכה עם דורטמונד באליפות שנייה ברציפות, אליה הוסיף גם זכייה בגביע הגרמני, לאחר ניצחון 2–5 בגמר על באיירן מינכן, במשחק בו הבקיע את השער השני בפנדל. עם זאת, דורטמונד והומלס רשמו קמפיין כושל בליגת האלופות באותה עונה, בה סיימו את שלב הבתים במקום האחרון. בעונת 2012/13 הומלס ודורטמונד לא יכלו לבאיירן מינכן, כאשר סיימו רק במקום השני בבונדסליגה, בפער של 25 נקודות מבאיירן מינכן, והודחו על ידיה גם ברבע גמר הגביע הגרמני לאחר הפסד 0–1. הומלס ודורטמונד הגיעו באותה עונה עד לגמר ליגת האלופות לראשונה מאז 1997, בעונה בה הומלס רשם הופעות מצוינות, במיוחד בניצחון 1–4 על ריאל מדריד בחצי הגמר. בגמר ליגת האלופות הפסידו הומלס ובורוסיה דורטמונד שוב לבאיירן מינכן, בתוצאה 1–2, לאחר שער ניצחון של אריין רובן בדקה ה-89.