O clube nasceu em 1877 como St. Luke's, fundado por John Baynton e John Brodie, alunos da escola da igreja de St Luke, em Blakenhall, com uma bola dada pelo diretor Harry Barcroft. Em agosto de 1879 a fusão com o time do clube de críquete Blakenhall Wanderers criou o Wolverhampton Wanderers. O vermelho e branco do começo vinha da escola; o dourado com calção preto de hoje remete ao lema da cidade sobre luz e escuridão, e desde 1979 o peito leva o brasão da cabeça de lobo.
Já profissional, entrou como um dos doze fundadores da Football League em 1888 e jogou a rodada inaugural da competição contra o Aston Villa, em 8 de setembro, na temporada da primeira final de FA Cup perdida, 3 a 0 para o Preston North End. Em 1889 mudou-se em definitivo para o Molineux, então um parque de lazer alugado da cervejaria Northampton, comprado pelo clube em 1923. O recorde de público de lá é de 61.315 pessoas contra o Liverpool, em 11 de fevereiro de 1939.
A FA Cup veio em 1893, 1 a 0 sobre o Everton, e outra vez em 1908, 3 a 1 sobre o Newcastle. Depois de cair até a Terceira Divisão Norte em 1923, ganha de primeira, foi o major Frank Buckley quem devolveu a elite em 1932, ao fim de 26 anos fora, e montou o time dos vices de 1937-38 e 1938-39, que perdeu para o Portsmouth a última final de FA Cup antes da guerra. Em 1947 o título escapou na última rodada, num 2 a 1 do Liverpool que foi a despedida de Stan Cullis como jogador.
Cullis assumiu como técnico no ano seguinte e ganhou a FA Cup de 1949, sobre o Leicester City, primeiro troféu em 41 anos. Vieram então os três campeonatos ingleses, em 1953-54, 1957-58 e 1958-59, e a fama dos amistosos noturnos: o Molineux foi um dos primeiros estádios britânicos a ter refletores, em 1953, por 10 mil libras. Em 1954 o time bateu o Budapest Honvéd, com meia seleção húngara em campo, empurrão final para Gabriel Hanot, editor do L'Équipe, propor a Copa dos Campeões.
A quarta FA Cup, de 1960, quase virou dobradinha: o título ficou com o Burnley por um ponto na última rodada. Cullis foi demitido em 1964, e a queda de 1965, a primeira desde 1922-23, tirou o time da elite depois de 26 temporadas. Ainda houve a final da Copa da UEFA de 1972, perdida para o Tottenham por 3 a 2 no agregado, e duas Copas da Liga, a de 1974 com 2 a 1 sobre o Manchester City e a de 1980 com gol de Andy Gray sobre o Nottingham Forest, então campeão europeu. A arquibancada John Ireland, entregue em 1979, passou de 2 milhões de libras e levou à recuperação judicial e ao rebaixamento de 1982.
Foi salvo por um consórcio do ex-jogador Derek Dougan, bancado pelos irmãos sauditas Bhatti, que não investiram: vieram três rebaixamentos seguidos e a quarta divisão em 1986. Graham Turner e os gols de Steve Bull trouxeram os títulos da Quarta e da Terceira Divisão em 1987-88 e 1988-89, e em 1990 o torcedor e empresário Jack Hayward comprou o clube e pôs 8,5 milhões de libras na reforma que deu ao Molineux 28.525 lugares. A elite só voltou em 2003, com 3 a 0 sobre o Sheffield United na final do playoff. A chinesa Fosun comprou o clube em 2016 por 45 milhões de libras, Nuno Espírito Santo ganhou a Championship de 2017-18 e o sétimo lugar de 2018-19 rendeu as quartas da Liga Europa. O rebaixamento de abril de 2026 encerrou oito temporadas seguidas na Premier League.