Pracę zawodową rozpoczął w Szpitalu Chirurgii Kostnej w Konstancinie. W 1956 został zatrudniony w I Klinice Chirurgicznej Akademii Medycznej w Warszawie. Na tej uczelni (później w ramach Katedry i Kliniki Chirurgii Ogólnej, Naczyniowej i Transplantacyjnej) obejmował kolejne stanowiska naukowe (w tym profesora zwyczajnego). Od 1974 był ordynatorem i kierownikiem Kliniki Chirurgicznej II Wydziału Lekarskiego Akademii Medycznej. Od 1981 do 1984 pełnił funkcję prorektora warszawskiej AM, w latach 1990–1996 przed dwie kadencje był rektorem tej uczelni. W 1999 przeszedł na emeryturę.
Tadeusz Tołłoczko był pierwszym lekarzem w Polsce, który wykonał operację u chorego z pierwotną nadczynnością przytarczyc, rozpoznaną poprzez aktywne poszukiwania choroby w grupie ponad 500 chorych z kamicą nerkową. Łącznie przeprowadził około 900 operacji pierwotnej oraz wtórnej nadczynności przytarczyc. Kierowana przez niego klinika była pierwszą w Polsce, która wprowadziła do praktyki klinicznej zabiegi transplantacji (przeszczepienie nerek). Tadeusz Tołłoczko jest także twórcą standardów w zakresie przeciwdziałania i zwalczania zakażeń chirurgicznych.