Em 2009, Wolff comprou uma parte da equipe de Fórmula 1 Williams e se juntou ao Conselho de administração. Em 2012, ele foi nomeado Diretor Executivo da Williams F1 e a equipe teve sua última vitória na corrida até a data no Grande Prêmio da Espanha daquele ano com Pastor Maldonado.em janeiro de 2013, Wolff deixou Williams F1 para se tornar diretor executivo da equipe Mercedes AMG Petronas Fórmula 1, com seu parceiro de negócios Rene Berger tornando-se diretor não-executivo. Além de se juntar à equipe como sócio-gerente, ele também adquiriu 30% da Mercedes-Benz Grand Prix Ltd, com mais 10% realizada por Niki Lauda e 60% pela empresa-mãe.Wolff assumiu a coordenação de todas as actividades da Mercedes-Benz motorsport, uma responsabilidade anteriormente detida por Norbert Haug. Em 2014, Wolff vendeu dois terços de suas ações Williams para o empresário americano Brad Hollinger. Em 9 de Março de 2016, Wolff vendeu suas ações restantes na equipe Williams.

Como co-proprietário de ambos os WilliamsF1 (onde a esposa Susie trabalhou como piloto de testes até novembro de 2015) e Mercedes Grand Prix, Wolff celebrou vários pódios e sucessos para ambas as equipes, tal como um 1-2-3-4 acabamento em Spielberg, na Áustria, em sua “corrida em casa”, bem como em Monza, Itália, tanto na fase de Qualificação e de Corrida classificações.em 2020, a Mercedes ganhou o seu sétimo Campeonato Mundial duplo consecutivo. O recorde tinha sido anteriormente realizado pela Ferrari quando ganhou cinco Campeonatos Mundiais duplos consecutivos entre 2000 e 2004. Mercedes também detém o recorde de sete campeonatos consecutivos de pilotos de 2014 a 2020. Este recorde também foi anteriormente mantido pela Ferrari com cinco títulos de 2000 a 2004. Em 2020, O recorde da Mercedes de sete campeonatos consecutivos de Construtores superou o de seis campeonatos consecutivos de construtores da Ferrari entre 1999-2004. As conquistas de Wolff foram reconhecidas através da apresentação de um Prêmio John Bolster de Todt no Autosport Awards 2018. Wolff posteriormente recebeu o Prêmio do Presidente de Todt, juntamente com o presidente não-executivo Niki Lauda, no prêmio FIA 2018 dando Gala realizada em São Petersburgo, Rússia.

2018 proved the most successful motorsport year in the history of Mercedes-Benz. A empresa ganhou ambos os títulos F1, F2 com George Russell, European F3 com Mick Schumacher, todos os três títulos em sua última temporada de competição DTM com Gary Paffett garantindo o título dos pilotos, tanto F1 eSports títulos e inúmeros campeonatos de corrida de clientes.para 2019, Mercedes continuou sua corrida de sucesso, garantindo um sexto Campeonato Mundial duplo consecutivo no GP Japonês, quando a equipe garantiu o título dos construtores e apenas um dos Lewis Hamilton e Valtteri Bottas ainda poderia se tornar campeão de pilotos. Trata-se de uma conquista sem precedentes na história do desporto. A partir de 2019, Wolff é o único diretor de equipe que ganhou mais de cinco Campeonatos Mundiais duplos consecutivos.em 2020, a Mercedes conseguiu um sétimo duplo Campeonato Mundial consecutivo. Isso estabelece um recorde de todos os tempos de campeonatos consecutivos de construtores, à frente dos seis conseguidos pela Ferrari de 1999 a 2004. Na mesma temporada, Lewis Hamilton tornou-se o piloto mais bem sucedido em termos de vitórias na GP Portuguesa de 2020, e garantiu um sétimo Campeonato Mundial de pilotos no GP turco para empatar o recorde de todos os tempos de Michael Schumacher.desde a introdução dos regulamentos turbo-híbridos em 2014, a Mercedes ganhou 102 das 138 corridas sob a liderança de Wolff. A equipe conquistou 109 de 138 pole positions, 70 lockouts na primeira fila e 204 de 276 pódios possíveis. Desde que Wolff se juntou à Mercedes em 2013, a equipe alcançou uma porcentagem vencedora de 68%.após o final da temporada F1 de 2020, Wolff assinou um novo contrato com a Mercedes, que o veria permanecer como diretor da equipe e CEO por mais 3 anos.