Josh Vela sköt Bolton från åtta meter efter att Emile Heskey lagt Dean Moxeys långa kast i hans väg.
Men Boro utjämnade när Rhodos, som var på väg att ersättas av David Nugent, borrade hem från nära håll.
Rhodes gick sedan i Middlesbroughs andra stopp-time vinnare denna vecka från tre meter.
Minuter tidigare, Boros stora pengar överföring deadline dag signering från Blackburn hade träffat posten och på väg brett från sex meter som Teessiders sökte en vinnare, medan substitut Gaston Ramirez också tog ett skott över från nära håll.
Återupplev Middlesbroughs seger i Bolton
Men Rhodes var på rätt plats vid rätt tidpunkt att nicka i Nugents kors i den första minuten av skada tid och lämna Boro två punkter klart i toppen efter befordran rivaler Burnley, som de möter på tisdagen, vann 2-1 på Birmingham.
Boro, som nu har vunnit sex på varandra följande matcher, gjorde också en skada-tid vinnare att slå Reading i mitten av veckan och denna sena show säkrade bara sin andra seger i Boltons nuvarande hem.
Middlesbrough ansikte befordran rivaler Burnley och Brighton i sina avslutande fyra matcher och som sådan, har sitt öde i sina egna händer som de försöker återvända till Premier League för första gången sedan 2009.
Aitor Karankas sida dominerade den första halvan när Stewart Downing slog i baren från 25 meter, medan Adam Forshaw, Daniel Ayala, Albert Adomah och Ritchie de Laet alla misslyckades med att slå till mot målet.
Mark Davies backheel tvingade Boro Keeper Dimi Konstantopoulos till en räddning från Boltons bästa första halvöppning.
Wanderers såg ut endast för sin femte seger för säsongen efter Vela sätta dem framför men Rhodes hade sista ordet till glädje Boros 4,302 resande fans.
Middlesbrough boss Aitor Karanka:
"Jag berättade för honom [Rhodes] efter spelet att en målgörare inte kan glömma att göra mål på två månader.
"Alltid en dag skulle det komma att han skulle göra mål och det var idag - två viktiga mål.
"Jag tror inte det har varit lätt för honom. Han är ingen stark figur, man kan se det i hans ansikte. Anledningen till att jag är glad för honom är för att ibland när du gör ditt bästa och du har otur du går ner. Han litade alltid på sig själv.
"Idag, den viktigaste dagen, kom han och han var där för att hjälpa laget."
Bolton interim manager Jimmy Phillips:
"Det är [nivån av prestanda] måste vara fallet från och med nu till slutet av säsongen.
"Vi uppmuntrar spelare att komma på bollen, visa så mycket i besittning som de kunde, att vara säker på det, eftersom vår liga öde har beslutats men också behålla en verklig konkurrensfördel och defensiv form.
"Det finns fortfarande områden att arbeta på, definitivt, förhoppningsvis om vi kan uppnå bättre boll retention, bli svårare att slå och fortfarande arbeta hårt som kommer att ställa spelarna upp för nästa säsong för dem som kommer att vara här."
Matchändar, Bolton Wanderers 1, Middlesbrough 2.
Andra halvlek, Bolton Wanderers 1, Middlesbrough 2.
Offside, Middlesbrough. Gastón Ramírez försöker en genom boll, men David Nugent fångas offside.
Gastón Ramírez (Middlesbrough) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Rob Holding (Bolton Wanderers).
Substitution, Middlesbrough. Tomas Kalas ersätter Jordan Rhodes.
Mål!  Bolton Wanderers 1, Middlesbrough 2. Jordan Rhodes (Middlesbrough) header från mycket nära till övre vänstra hörnet. Hjälpt av David Nugent med ett kors.
Jordan Rhodes (Middlesbrough) träffar vänster stolpe med en höger fotad skott från höger sida av sex yard box. Hjälpt av David Nugent med ett kors.
Substitution, Bolton Wanderers. Kaiyne Woolery ersätter Josh Vela.
Försök missade. Jordan Rhodes (Middlesbrough) huvud från mitten av lådan är nära, men missar till vänster. Hjälpt av David Nugent med ett huvudpass efter ett hörn.
Substitution, Middlesbrough. David Nugent ersätter Stewart Downing.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av Dean Moxey.
Försök missade. Ritchie de Laet (Middlesbrough) huvudet från mitten av lådan är nära, men missar till höger. Hjälpt av Adam Forshaw med ett huvudpass efter ett hörn.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av Darren Pratley.
Försök blockerat. Gastón Ramírez (Middlesbrough) vänster fotade skott utanför lådan är blockerad.
Josh Vela (Bolton Wanderers) visas det gula kortet för en dålig foul.
Gastón Ramírez (Middlesbrough) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Josh Vela (Bolton Wanderers).
Försöket räddades. Daniel Ayala (Middlesbrough) huvud från mitten av rutan sparas i övre vänstra hörnet. Hjälpt av Gastón Ramírez med ett kors.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av Mark Davies.
Försök missade. Albert Adomah (Middlesbrough) huvud från mitten av lådan missar till vänster. Hjälpt av Stewart Downing med ett kors.
Försök blockerat. Albert Adomah (Middlesbrough) höger fotade skott från vänster sida av lådan är blockerad. Hjälpt av Gastón Ramírez.
Ben Amos (Bolton Wanderers) visas det gula kortet.
Handboll av Jordan Rhodes (Middlesbrough).
Försök missade. Gastón Ramírez (Middlesbrough) höger fotade skott från mycket nära håll är nära, men missar till höger. Hjälpt av Ritchie de Laet med ett kors.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av Niall Maher.
Försök missade. Darren Pratley (Bolton Wanderers) huvudet från mitten av lådan missar till vänster. Hjälpt av Josh Vela med ett kors.
Foul av Ritchie de Laet (Middlesbrough).
Dean Moxey (Bolton Wanderers) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Mål!  Bolton Wanderers 1, Middlesbrough 1. Jordan Rhodes (Middlesbrough) höger fotade skott från mitten av lådan till nedre högra hörnet.
Försök blockerat. Jordan Rhodes (Middlesbrough) huvud från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Adam Forshaw med ett kors.
Offside, Middlesbrough. Albert Adomah försöker en genom boll, men Jordan Rhodes fångas offside.
Substitution, Bolton Wanderers. Liam Trotter ersätter Emile Heskey.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av Dean Moxey.
Offside, Middlesbrough. Adam Clayton försöker en genom boll, men Daniel Ayala fångas offside.
Försök blockerat. Ritchie de Laet (Middlesbrough) vänster fotade skott från höger sida av lådan är blockerad.
Hörnet, Middlesbrough. Förföljd av David Wheather.
Mark Davies (Bolton Wanderers) visas det gula kortet för en dålig foul.
George Friend (Middlesbrough) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Mark Davies (Bolton Wanderers).
Jordan Rhodes gjorde mål två gånger, inklusive en skada-tid vinnare, som Championship ledare Middlesbrough kom bakifrån för att slå redan-legerade Bolton.