in 2009 kocht Wolff een deel van het Williams Formule 1-Team en werd lid van de Raad van bestuur. In 2012 werd hij benoemd tot executive director van Williams F1 en het team won de laatste race tot nu toe op de Spaanse Grand Prix met Pastor Maldonado.in januari 2013 verliet Wolff Williams F1 om uitvoerend directeur te worden van het Mercedes AMG Petronas Formula One Team, met zijn zakenpartner Rene Berger als niet-uitvoerend directeur. Naast het toetreden tot het team als managing partner, hij kocht ook 30% van Mercedes-Benz Grand Prix Ltd, met nog eens 10% in handen van Niki Lauda en 60% door het moederbedrijf.Wolff nam de coördinatie over van alle Mercedes-Benz motorsportactiviteiten, een verantwoordelijkheid die voorheen bij Norbert Haug lag. In 2014, Wolff verkocht twee derde van zijn Williams aandelen aan de Amerikaanse zakenman Brad Hollinger. Op 9 maart 2016 verkocht Wolff zijn resterende aandelen in het Williams-team.als mede-eigenaar van zowel WilliamsF1 (waar vrouw Susie werkte als testrijder tot November 2015) en Mercedes Grand Prix, vierde Wolff talrijke podiums en successen voor beide teams, zoals een 1-2-3-4 finish in Spielberg, Oostenrijk in zijn ‘home race’, evenals in Monza, Italië, in zowel de kwalificatie-en Race-klassementen.in 2020 won Mercedes het record voor de zevende keer op rij. Het record was eerder in handen van Ferrari toen het won vijf opeenvolgende wereldkampioenschappen tussen 2000 en 2004. Mercedes heeft ook het record van zeven opeenvolgende Rijderskampioenschappen van 2014 tot 2020. Dit record werd ook eerder gehouden door Ferrari met vijf titels van 2000 tot 2004. In 2020 overtrof Mercedes’ record van zeven opeenvolgende constructeurskampioenschappen dat van Ferrari ‘ s zes opeenvolgende constructeurskampioenschappen tussen 1999-2004. Wolff ‘ s prestaties werden erkend door de uitreiking van een John Bolster Award van Todt op de Autosport Awards 2018. Wolff ontving vervolgens de President ‘ s Award van Todt, samen met team niet-uitvoerend voorzitter Niki Lauda, op het 2018 fia Prize Giving Gala gehouden in Sint-Petersburg, Rusland.

2018 bleek het meest succesvolle motorsportjaar in de geschiedenis van Mercedes-Benz. Het bedrijf won beide F1-titels, F2 met George Russell, Europese F3 met Mick Schumacher, alle drie de titels in het laatste seizoen van de DTM-competitie met Gary Paffett die de titel van de coureurs veiligstelde, beide F1 eSports-titels en talrijke kampioenschappen in customer racing.in 2019 zette Mercedes zijn reeks van succes voort door een zesde opeenvolgende Dubbele world championship te bemachtigen in de Japanse GP, toen het team de constructeurstitel veiligstelde en slechts één van Lewis Hamilton en Valtteri Bottas nog kampioen kon worden. Dit is een ongekende prestatie in de geschiedenis van de sport. Sinds 2019 is Wolff de enige teamdirecteur die meer dan vijf opeenvolgende wereldkampioenschappen heeft gewonnen.in 2020 won Mercedes voor de zevende keer op rij een dubbel Wereldkampioenschap. Dit zet een record van opeenvolgende constructeurskampioenschappen, voor de zes die Ferrari van 1999 tot 2004 behaalde. In hetzelfde seizoen werd Lewis Hamilton de succesvolste coureur in de GP van Portugal in 2020, en verzekerde zich van een zevende World drivers ‘ championship in de Turkse GP om het record van Michael Schumacher te evenaren.sinds de introductie van de turbo-hybrid regulations in 2014 heeft Mercedes 102 van 138 races gewonnen onder leiding van Wolff. Het team heeft 109 van 138 pole-posities ingenomen, 70 lock-outs op de eerste rij en 204 van 276 mogelijke podiumfinishes. Sinds Wolff in 2013 bij Mercedes kwam, behaalde het team een winstpercentage van 68%.na het einde van het F1-seizoen 2020 tekende Wolff een nieuwe deal met Mercedes, waardoor hij nog drie jaar zou blijven als directeur en CEO van het team.