Besökarna leddes vid pausen genom Helder Costas straff efter att Dave Edwards avverkades av Jon McLaughlin.
Burton staplade på trycket efter halvtid och jämnas när f.d. Vargar ytter Michael Kightly markerade sin debut genom att knacka in från två meter.
Woodrow fast i vinnaren djupt i skada tid efter Vargar misslyckades med att rensa ett hörn.
Burtons seger innebär att de förblir tre poäng fria från Championship relegationszonen efter tredje-från-botten Blackburn också ryckte en sen seger över QPR, medan vargar faller till 18: e efter Nottingham Forests skadetid seger över Aston Villa.
I en skrotig första hälften av få chanser, Lasse Vigen Christensen, på lån från Fulham som Woodrow, volleyed över Tom Flanagans kors, medan Wolvs strejkare Nouha Dicko såg ett skott tipsad runt posten av McLaughlin.
Besökarna tog slutligen ledningen fem minuter innan pausen när Costa borrade sin spot-kick högt i nätet efter McLaughlin tog ner Edwards.
Men Paul Lamberts sida kämpade för att skapa något av ton efter pausen som Burton dominerade.
Carl Ikeme tipsade en Kightly skott runt posten och en fri-kick över baren innan yttern, som gick på lån från Burnley på deadline dag, slutligen hävdade utjämnaren genom att konvertera Marvin Sordell pass.
Och Nigel Cloughs sida, som tog en skade-tid utjämnare när de två sidorna drog 1-1 på Molineux i september, fick vinnaren när Woodrow vände i Flanagans huvud från nära håll i den fjärde minuten av stopptid.
Burton manager Nigel Clough: " Det är på tiden att vi gör en sak till vår fördel. Vi har haft tillräckligt med hjärtesorger för att hålla oss tre säsonger i de första 20-odd spelen.
"Det är första gången något verkligen har gått sönder för oss i sista minuten i straffområdet. Hörnet har kommit in och bara sjunkit till två av våra killar och Cauley har hamnat i det.
"De två nya grabbarna får målen och det gör skillnad när man kan ta in några kroppar under januari.
"Vi har skapat några chanser under hela säsongen, men det är trevligt nu att ha människor som kan avsluta dem."
Vargar huvudtränare Paul Lambert sade till BBC WM: "I första halvan tyckte jag att vi gjorde mycket med bollen. Vi har huvudrollen och det ger dig något att gå med på på halvtid
"Men i andra halvan var vi inte samma sak och vi tillät Burton att komma tillbaka in i spelet.
– Det första målet är dåligt ur vår synvinkel, eftersom det är för lätt för dem att ta sig igenom vårt försvar. För den andra, var vår märkning inte tillräckligt bra vid inspelningen.
"Vi har satt oss en så hög standard så besvikelsen finns för alla idag. Ibland behöver man en verklighetskontroll, och idag var vi helt enkelt inte tillräckligt bra."
Matchändar, Burton Albion 2, Wolverhampton Wanderers 1.
Andra halvlek, Burton Albion 2, Wolverhampton Wanderers 1.
Mål!  Burton Albion 2, Wolverhampton Wanderers 1. Cauley Woodrow (Burton Albion) vänster fotade skott från mycket nära håll till mitten av målet. Hjälpt av Tom Flanagan med ett huvudpass efter ett hörn.
Hörnet, Burton Albion. Förföljd av Kortney Hause.
Försök missade. Cauley Woodrow (Burton Albion) huvudet från mitten av lådan är nära, men missar till höger. Hjälpt av Marvin Sordell med ett kors.
Lucas Akins (Burton Albion) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Jón Dadi Bödvarsson (Wolverhampton Wanderers).
Marvin Sordell (Burton Albion) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Lee Evans (Wolverhampton Wanderers).
Nouha Dicko (Wolverhampton Wanderers) visas det gula kortet.
Offside, Wolverhampton Wanderers. Lee Evans försöker en genom boll, men Nouha Dicko fångas offside.
Substitution, Burton Albion. Matthew Palmer ersätter Lasse Vigen Christensen.
Foul av Tom Flanagan (Burton Albion).
Bright Enobakhare (Wolverhampton Wanderers) vinner en frispark i anfallshalvan.
Försöket räddades. Cauley Woodrow (Burton Albion) höger fotade skott från utsidan rutan sparas i nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Tom Flanagan.
Substitution, Burton Albion. Lucas Akins ersätter Michael Kightly.
Substitution, Wolverhampton Wanderers. Ben Marshall ersätter Andreas Weimann.
Substitution, Wolverhampton Wanderers. Jón Dadi Bödvarsson ersätter Hélder Costa.
Försök missade. Jackson Irvine (Burton Albion) huvudet från mitten av lådan missar till höger. Assisterad av Lasse Vigen Christensen med ett kors som följer ett hörn.
Hörnet, Burton Albion. Förföljd av Kortney Hause.
Michael Kightly (Burton Albion) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Hélder Costa (Wolverhampton Wanderers).
Försök missade. Jackson Irvine (Burton Albion) huvudet från mitten av lådan missar till vänster. Assisterad av Lasse Vigen Christensen med ett kors som följer ett hörn.
Hörnet, Burton Albion. Sammankallad av Lee Evans.
Hörnet, Burton Albion. Sammankallad av Lee Evans.
Försök blockerat. Tom Naylor (Burton Albion) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Marvin Sordell.
Försök blockerat. Cauley Woodrow (Burton Albion) huvud från mitten av rutan är blockerad. Hjälpt av Luke Murphy med ett kors.
Försök missade. David Edwards (Wolverhampton Wanderers) huvud från mitten av lådan är högt och brett till höger. Hjälpt av Conor Coady.
Foul av Michael Kightly (Burton Albion).
Bright Enobakhare (Wolverhampton Wanderers) vinner en frispark på högerkanten.
Luke Murphy (Burton Albion) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Luke Murphy (Burton Albion).
Bright Enobakhare (Wolverhampton Wanderers) vinner en frispark i defensiva halvan.
Hörnet, Burton Albion. Förföljd av Conor Coady.
Hörnet, Wolverhampton Wanderers. Förföljd av Tom Flanagan.
Luke Murphy (Burton Albion) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av David Edwards (Wolverhampton Wanderers).
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Hélder Costa (Wolverhampton Wanderers) på grund av en skada.
Lasse Vigen Christensen (Burton Albion) vinner en frispark på högerkanten.
Cauley Woodrow gjorde en skada-tid vinnare som Burton Albion kämpade tillbaka från ett mål ner för att slå vargar.