Den 34-åriga England internationella, som gjorde 15 liga mål förra säsongen, har undertecknat ett treårigt avtal.
"Det är bra att vara tillbaka", sade Defoe, som som tonåring tillbringade 2000-01 säsongen på lån på Bournemouth från West Ham, poäng i 10 på varandra följande matcher.
"Det var ett enkelt beslut att gå med i ett toppteam med en topp manager. Det enda jag kan garantera är mål."
Den tidigare Tottenham, Portsmouth, West Ham och Charlton spelare är sjunde på Premier League all-time mållista med 158 i 468 framträdanden.
Cherries manager Eddie Howe sa att Defoes signering är en stor stund för klubben.
Defoe flyttade till Sunderland i januari 2015 efter en kort stavning på MLS sida Toronto och, efter att ha sparat klubben från nedflyttning under säsongen 2015-16 med 15 mål, undertecknade ett kontrakt förlängning till 2019.
Det fanns en klausul i hans kontrakt som tillät honom att lämna på en fri överföring om Sunderland förvisades, som han kunde utlösa när Black Cats slutade botten förra säsongen.
Defoe gjorde sin Englanddebut 2004 och spelade på 2010 års VM, men inte för den nationella sidan mellan 2013 och 2017.
Hans utmärkta form förra säsongen gav honom ett återkallande till Gareth Southgate sida, och han gjorde sitt 20: e internationella mål mot Litauen i en VM kval i mars.
Defoe är Bournemouths andra signering av sommaren, efter ankomsten av målvakten Asmir Begovic från Chelsea.
"Vi vill ta med spelare här som kan ha en stor inverkan på vår fortsatta uppgång och vi tror Jermain passar det som en naturlig, beprövad målgörare," tillade Howe.
Cherries slutade nionde i Premier League förra terminen - deras andra säsong i toppflyget.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Sunderland-strejkaren Jermain Defoe har omplacerats till före detta klubben Bournemouth på fri överföring.