Nel 2009, Wolff ha acquistato una quota del team Williams di Formula Uno ed è entrato nel consiglio di amministrazione. Nel 2012, è stato nominato direttore esecutivo della Williams F1 e la squadra ha vinto la sua ultima gara fino ad oggi al Gran Premio di Spagna di quell’anno con Pastor Maldonado.

Nel gennaio 2013, Wolff lasciò la Williams F1 per diventare direttore esecutivo del team Mercedes AMG Petronas di Formula Uno, con il suo socio in affari Rene Berger che divenne direttore non esecutivo. Oltre ad entrare nel team come managing partner, ha anche acquisito il 30% di Mercedes-Benz Grand Prix Ltd, con un ulteriore 10% detenuto da Niki Lauda e il 60% dalla casa madre.

Wolff ha assunto il coordinamento di tutte le attività di Mercedes-Benz motorsport, una responsabilità precedentemente detenuta da Norbert Haug. Nel 2014, Wolff ha venduto due terzi delle sue azioni Williams all’uomo d’affari americano Brad Hollinger. Il 9 marzo 2016, Wolff ha venduto le sue quote rimanenti nella squadra Williams.

Come co-proprietario sia della WilliamsF1 (dove la moglie Susie ha lavorato come collaudatore fino a novembre 2015) che della Mercedes Grand Prix, Wolff ha celebrato numerosi podi e successi per entrambi i team, come un 1-2-3-4 a Spielberg, in Austria nella sua “gara di casa”, così come a Monza, in Italia, sia in qualifica che in

Nel 2020, la Mercedes ha vinto il suo settimo record consecutivo di doppio campionato del mondo. Il record era stato precedentemente detenuto dalla Ferrari quando ha vinto cinque doppi campionati mondiali consecutivi tra il 2000 e il 2004. Mercedes detiene anche il record di sette campionati piloti consecutivi dal 2014 al 2020. Questo record è stato anche precedentemente detenuto dalla Ferrari con cinque titoli dal 2000 al 2004. Nel 2020, il record della Mercedes di sette campionati costruttori consecutivi ha superato quello dei sei campionati costruttori consecutivi della Ferrari stabiliti tra il 1999-2004. I risultati di Wolff sono stati riconosciuti attraverso la presentazione di un John Bolster Award da Todt agli Autosport Awards 2018. Wolff ha successivamente ricevuto il Premio del Presidente da Todt, insieme al presidente non esecutivo del team Niki Lauda, al Gala di premiazione FIA 2018 tenutosi a San Pietroburgo, in Russia.

Il 2018 si è rivelato l’anno motorsport di maggior successo nella storia di Mercedes-Benz. La società ha vinto entrambi i titoli di F1, F2 con George Russell, F3 europeo con Mick Schumacher, tutti e tre i titoli nella sua ultima stagione di competizione DTM con Gary Paffett assicurando il titolo piloti, entrambi i titoli di F1 eSports e numerosi campionati nelle corse dei clienti.

Per il 2019, la Mercedes ha continuato la sua corsa di successi assicurandosi un sesto doppio mondiale consecutivo al GP del Giappone, quando il team si è assicurato il titolo Costruttori e solo uno di Lewis Hamilton e Valtteri Bottas potrebbe ancora diventare campione Piloti. Questo è un risultato senza precedenti nella storia di questo sport. A partire dal 2019, Wolff è l’unico Team Principal che ha vinto più di cinque campionati mondiali consecutivi.

Nel 2020, la Mercedes si è assicurata il settimo doppio mondiale consecutivo. Questo stabilisce un record di tutti i tempi di campionati costruttori consecutivi, davanti ai sei raggiunti dalla Ferrari dal 1999 al 2004. Nella stessa stagione, Lewis Hamilton è diventato il pilota di maggior successo in termini di vittorie in gara al GP del Portogallo 2020, e si è assicurato un settimo campionato mondiale piloti al GP della Turchia per legare il record di tutti i tempi detenuto da Michael Schumacher.

Dall’introduzione dei regolamenti turbo-ibridi nel 2014, Mercedes ha vinto 102 delle 138 gare sotto la guida di Wolff. Il team ha conquistato 109 pole position su 138, 70 lockout in prima fila e 204 su 276 possibili podi. Da quando Wolff è entrato in Mercedes nel 2013, il team ha raggiunto una percentuale di vittorie del 68%.

Dopo la fine della stagione 2020 di F1, Wolff ha firmato un nuovo accordo con la Mercedes che lo avrebbe visto rimanere come team principal e CEO per altri 3 anni.