Маркус Вольф родился в семье еврейского врача, писателя и коммуниста Фридриха Вольфа. Младший брат Маркуса - кинорежиссёр Конрад Вольф. После прихода к власти НСДАП семья Вольфов эмигрировала в Швейцарию, затем во Францию и в 1934 году - в СССР.
В Москве Маркус учился сначала в немецкой школе имени К. Либкнехта, потом в русской школе имени Фритьофа Нансена. С началом Великой Отечественной войны семью Вольфов эвакуировали в Казахстан, откуда Маркус Вольф был направлен в школу Коминтерна в Кушнаренкове под Уфой, где велась подготовка агентуры для заброски в тыл противника. Из-за ряда провалов агентов было решено основные кадры из числа молодых немецких эмигрантов сохранить для работы в послевоенной Германии. В 1944 году Маркус Вольф женился на Эмми Штенцер, дочери немецкого коммуниста Франца Штенцера, погибшего в концентрационном лагере Дахау в 1933 году. Маркус Вольф поступил учиться в Московский авиационный институт. Окончить институт Маркусу не удалось: в конце мая 1945 года он был направлен на работу в Германию вместе с группой Ульбрихта, которая должна была готовить приход к власти коммунистов. По прибытии в Берлин Ульбрихт направил Вольфа на Берлинское радио, которое находилось в Шарлоттенбурге, в британском секторе Берлина и было своего рода форпостом начинавшейся холодной войны. На антифашистском радио, создававшемся на месте имперского радио времён Геббельса, Маркус Вольф писал внешнеполитические комментарии под псевдонимом Михаэль Шторм, работал репортёром и руководил различными политическими редакциями. С сентября 1945 года Вольф был командирован корреспондентом Берлинского радио в Нюрнберг для освещения хода Нюрнбергского процесса.
После образования ГДР в октябре 1949 года и её признания Советским Союзом Маркусу Вольфу была предложена должность первого советника посольства в дипломатической миссии ГДР в Москве, ради дипломатической карьеры Маркус Вольф был вынужден отказаться от советского гражданства и в ноябре вылетел в Москву вместе с Рудольфом Аппельтом и Йозефом Шюцем. Дипломатическая карьера Вольфа продлилась всего полтора года, и в августе 1951 года он был вызван в Берлин Антоном Аккерманом, который по поручению партийного руководства создавал политическую разведслужбу. Маркус Вольф перешёл на работу во внешнеполитическую разведку, которая в целях маскировки размещалась под крышей Института экономических исследований, созданного 16 августа 1951 года.
В декабре 1952 года Маркус Вольф был назначен руководителем внешней разведки. Вначале численность сотрудников и агентов разведки была невелика. По словам самого Вольфа, в конце 1953 года за рубежом работало 12 внедрённых агентов и ещё 30-40 человек готовилось к внедрению. Особую сложность в работе разведки представляло то, что многие зарубежные страны отказывались признавать ГДР и приходилось использовать только нелегальные методы разведки (не было посольств, в которых могли работать легальные агенты).
Долгое время Маркуса Вольфа называли на Западе «Человеком без лица», поскольку с 1950-х годов разведывательным службам Запада не удавалось добыть фотографию главы контрразведки ГДР. Вольф мог относительно свободно перемещаться по Европе. В 1979 году сотрудник Маркуса Вольфа, старший лейтенант госбезопасности и агент Федеральной разведывательной службы ФРГ Вернер Штиллер бежал в ФРГ и опознал своего начальника на одной из фотографий, сделанных во время пребывания того в Стокгольме. Фотография Маркуса Вольфа вскоре появилась на обложке сенсационного выпуска журнала Der Spiegel.
В 1960-е годы именно внешняя разведка ГДР в тесном сотрудничестве с КГБ осуществляла «экспорт» революционного движения в страны Азии и Африки. К 1986 году на внешнюю разведку ГДР работало около 1500 внедрённых агентов, не считая легальную агентуру при посольствах и вспомогательных агентов. Многие агенты занимали достаточно высокое положение, в частности, агент Гюнтер Гийом работал помощником канцлера ФРГ Вилли Брандта.
В 1986 году Маркус Вольф вышёл в отставку. С падением Берлинской стены эмигрировал в СССР, после августовского путча запрашивал политическое убежище в Австрии, но в конце концов в сентябре 1991 года принял решение вернуться в Германию, где был арестован и 11 дней провёл в одиночной камере, после чего был освобождён под залог. В 1993 году был приговорён к 6 годам лишения свободы. В 1995 году приговор был отменён Федеральным конституционным судом Германии, но в 1997 году суд Дюссельдорфа приговорил его ещё на три года условно. В 1995 году Федеральный конституционный суд Германии вынес решение, которым освободил офицеров разведки ГДР от преследований по обвинениям в государственной измене и шпионаже. По словам самого Маркуса Вольфа, на допросах он не выдал ни одного из известных ему агентов внешней разведки ГДР.
До самой смерти занимался литературной деятельностью: писал мемуары и прозу. Ряд книг был издан на других языках народов мира, в том числе и в России.
Маркус Вольф скончался 9 ноября 2006 года в Берлине.