En 2009, Wolff compró una parte del equipo Williams de Fórmula Uno y se unió a la junta directiva. En 2012, fue nombrado director ejecutivo de Williams F1 y el equipo obtuvo su última victoria hasta la fecha en el Gran Premio de España de ese año con Pastor Maldonado.

En enero de 2013, Wolff dejó Williams F1 para convertirse en director ejecutivo del equipo Mercedes AMG Petronas de Fórmula Uno, con su socio comercial Rene Berger convirtiéndose en director no ejecutivo. Además de unirse al equipo como socio gerente, también adquirió el 30% de Mercedes-Benz Grand Prix Ltd, con un 10% adicional en manos de Niki Lauda y el 60% en manos de la empresa matriz.

Wolff se hizo cargo de la coordinación de todas las actividades de Mercedes-Benz motorsport, una responsabilidad que anteriormente tenía Norbert Haug. En 2014, Wolff vendió dos tercios de sus acciones de Williams al empresario estadounidense Brad Hollinger. El 9 de marzo de 2016, Wolff vendió sus acciones restantes en el equipo Williams.

Como copropietario de WilliamsF1 (donde Su esposa trabajó como piloto de pruebas hasta noviembre de 2015) y Mercedes Grand Prix, Wolff celebró numerosos podios y éxitos para ambos equipos, como un 1-2-3-4 en Spielberg, Austria en su «carrera de casa», así como en Monza, Italia, tanto en la clasificación como en la clasificación de carreras.

En 2020, Mercedes ganó su séptimo campeonato mundial doble consecutivo récord. El récord había sido previamente mantenido por Ferrari cuando ganó cinco campeonatos mundiales dobles consecutivos entre 2000 y 2004. Mercedes también tiene el récord de siete Campeonatos de Pilotos consecutivos de 2014 a 2020. Este récord también fue poseído previamente por Ferrari con cinco títulos de 2000 a 2004. En 2020, el récord de Mercedes de siete Campeonatos consecutivos de Constructores superó el de los seis Campeonatos consecutivos de Constructores de Ferrari establecidos entre 1999 y 2004. Los logros de Wolff fueron reconocidos a través de la presentación de un Premio John Bolster de Todt en los Autosport Awards 2018. Posteriormente, Wolff recibió el Premio del Presidente de Todt, junto con el Presidente no ejecutivo del equipo, Niki Lauda, en la Gala de Entrega de Premios FIA 2018 celebrada en San Petersburgo, Rusia.

2018 fue el año de automovilismo más exitoso en la historia de Mercedes-Benz. La compañía ganó ambos títulos de F1, F2 con George Russell, F3 Europea con Mick Schumacher, los tres títulos en su última temporada de competencia de DTM con Gary Paffett asegurando el título de pilotos, ambos títulos de eSports de F1 y numerosos campeonatos en carreras de clientes.

Para 2019, Mercedes continuó su racha de éxitos al asegurar un sexto campeonato mundial doble consecutivo en el GP de Japón, cuando el equipo se aseguró el título de Constructores y solo uno de Lewis Hamilton y Valtteri Bottas aún podía convertirse en campeón de pilotos. Este es un logro sin precedentes en la historia del deporte. A partir de 2019, Wolff es el único Director de equipo que ha ganado más de cinco campeonatos mundiales dobles consecutivos.

En 2020, Mercedes se ha asegurado un séptimo campeonato mundial doble consecutivo. Esto establece un récord histórico de campeonatos de constructores consecutivos, por delante de los seis conseguidos por Ferrari de 1999 a 2004. En la misma temporada, Lewis Hamilton se convirtió en el piloto más exitoso en términos de victorias en carreras en el GP de Portugal de 2020, y se aseguró un séptimo campeonato mundial de pilotos en el GP de Turquía para empatar el récord histórico de Michael Schumacher.

Desde la introducción de las regulaciones turbo-híbridas en 2014, Mercedes ha ganado 102 de las 138 carreras bajo el liderazgo de Wolff. El equipo ha tomado 109 de 138 pole positions, 70 cierres patronales en primera fila y 204 de los 276 podios posibles. Desde que Wolff se unió a Mercedes en 2013, el equipo ha logrado un porcentaje de victorias del 68%.

Tras el final de la temporada 2020 de F1, Wolff firmó un nuevo contrato con Mercedes que lo llevaría a permanecer como director y CEO del equipo por otros 3 años.