Маркус Вольф родился в городе Хехингене (Вюртемберг) в семье еврейского врача, писателя и коммуниста Фридриха Вольфа. В 1934 году после прихода к власти НСДАП вместе с родителями и младшим братом Конрадом, ставшим впоследствии знаменитым кинорежиссёром, эмигрировал в Швейцарию, а затем — в СССР.
В Москве Маркус учился сначала в немецкой школе имени Карла 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 которой готовили агентуру 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. Маркус Вольф поступил учиться в Московский авиационный институт. Окончить институт Маркусу не удалось: в 1945 году он был направлен на работу в Германию вместе с «группой Ульбрихта», которая должна была готовить приход к власти коммунистов.
Первоначально его прикрытием была работа корреспондентом радиостанции «Berliner Rundfunk», где он, в частности, освещал Нюрнбергский процесс.
В 1949 году Маркус Вольф был назначен помощником посла ГДР в СССР.
В 1951 году он был отозван в Германию для работы в «Институте научно-экономических исследований». Этот институт был на самом деле прикрытием зарождающейся внешней разведки ГДР. 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).
В 1960-е годы именно внешняя разведка ГДР в тесном сотрудничестве с КГБ осуществляла «экспорт» революционного и национально-освободительного 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 ушёл 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 заменили на условный, 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.