Mittfältaren mer än 150 framträdanden för Dale innan han gick med i Tranmere 2012, och återvände för en låneformel 2013.
Den 27-årige släpptes av Carlisle United i slutet av kampanjen 2015-16.
Rochdale började 2016-17 med ett 3-2 hem nederlag av Peterborough på lördag.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Joe Thompson har tecknat ett sexmånaders kontrakt med League One-sidan Rochdale och återvänder till klubben som han började sin karriär med.