v roce 2009 Wolff koupil podíl v týmu Williams Formula One a připojil se k představenstvu. V roce 2012 byl jmenován výkonným ředitelem Williams F1 a tým získal své poslední vítězství v závodě na letošní Velké ceně Španělska s Pastorem Maldonadem.

V lednu 2013 Wolff opustil Williams F1, aby se stal výkonným ředitelem týmu Mercedes AMG Petronas Formula One, přičemž jeho obchodní partner René Berger se stal nevýkonným ředitelem. Kromě toho, že se připojil k týmu jako řídící partner, získal také 30% společnosti Mercedes-Benz Grand Prix Ltd, dalších 10% držel Niki Lauda a 60% mateřská společnost.

Wolff převzal koordinaci všech aktivit Mercedes-Benz motorsport, což dříve zastával Norbert Haug. V roce 2014, Wolff prodal dvě třetiny jeho Williams akcií na Americký podnikatel Brad Hollinger. Dne 9. března 2016 prodal Wolff své zbývající podíly v týmu Williams.

Jako co-vlastník obou WilliamsF1 (kde manželka Susie pracoval jako testovací jezdec do listopadu 2015) a Mercedes Grand Prix, Wolff slaví četné stupně vítězů a úspěchy pro oba týmy, jako je 1-2-3-4 dokončit v Spielberg, Rakousko v jeho domácí závod, stejně jako v Monze, Itálie, v obou Kvalifikaci a Závod klasifikací.

v roce 2020 vyhrál Mercedes svůj rekordní sedmý dvojnásobný světový šampionát za sebou. Rekord předtím drželo Ferrari, když v letech 2000 až 2004 vyhrálo pět po sobě jdoucích dvojnásobných mistrovství světa. Mercedes také drží rekord sedmi po sobě jdoucích šampionátů jezdců z let 2014 až 2020. Tento rekord také dříve drželo Ferrari s pěti tituly z let 2000 až 2004. V roce 2020 překonal Mercedes rekord sedmi po sobě jdoucích šampionátů konstruktérů rekord šesti po sobě jdoucích šampionátů konstruktérů Ferrari stanovených v letech 1999-2004. Wolffovy úspěchy byly uznány prezentací ceny Johna Bolstera od Todta na Autosport Awards 2018. Wolff následně obdržel President ‚ s Award od Todt, spolu s tým non-výkonný Předseda Niki Lauda, v roce 2018 FIA Prize Giving Gala se konala v St Petersburg, Rusko.

2018 se ukázal jako nejúspěšnější motoristický rok v historii Mercedes-Benz. Společnost získala oba F1 tituly, F2 s George Russell, Evropské F3 s Mick Schumacher, všechny tři tituly ve své závěrečné sezóně DTM soutěže s Gary Paffett zajištění jezdců, a to jak F1 esport tituly a řadu šampionátů v zákaznické závodění.

Pro 2019, Mercedes pokračovala série úspěchů zajištěním šestý po sobě jdoucí dvojí mistrovství světa v Japonské GP, když tým zajistil Konstruktérů a titul pouze jeden z Lewis Hamilton a Valtteri Bottas mohl ještě stát Řidičů šampion. Jedná se o bezprecedentní úspěch v historii sportu. Od roku 2019 je Wolff jediným týmem, který vyhrál více než pět po sobě jdoucích dvojitých mistrovství světa.

v roce 2020 si Mercedes zajistil sedmé po sobě jdoucí dvojité mistrovství světa. To vytváří rekord všech dob po sobě jdoucích šampionátů konstruktérů před šesti dosaženými Ferrari v letech 1999 až 2004. Ve stejné sezoně, Lewis Hamilton se stal nejúspěšnějším řidičem, pokud jde o závod vyhrál v roce 2020 portugalské GP, a zajištěné sedmého světového šampionátu jezdců na turecké GP tie all-time rekord Michael Schumacher.

Od zavedení turbo-hybridních předpisů v roce 2014 vyhrál Mercedes pod Wolffovým vedením 102 ze 138 závodů. Tým obsadil 109 ze 138 pole position, 70 výluk v první řadě a 204 z 276 možných umístění na stupních vítězů. Od chvíle, kdy se Wolff připojil k Mercedesu v roce 2013, dosáhl tým vítězného procenta 68%.

po skončení sezóny 2020 F1 podepsal Wolff novou dohodu s Mercedesem, která by ho viděla zůstat jako ředitel týmu a generální ředitel pro další 3 roky.