Im Jahr 2001 nahm Wolf an der U20-Junioren-Weltmeisterschaft der Division I teil. 2005 wurde er zum ersten Mal für Testspiele in den A-Kader berufen. In der Vorbereitung auf die Olympischen Winterspiele 2006 und der Weltmeisterschaft 2006 gehörte Wolf zum Kader und wurde jeweils erst kurz vor Beginn von Bundestrainer Uwe Krupp aus dem Aufgebot gestrichen. Ein Jahr später schaffte Michael Wolf bei der Weltmeisterschaft 2007 in Russland den Sprung ins Team, welches den Klassenerhalt schaffte. Der Angreifer (5 Tore/3 Assists) bildete mit Michael Hackert (3 T/4 A) und Philip Gogulla (0 T/5 A) die erfolgreichste deutsche Sturmreihe und hatte entscheidenden Anteil am Sprung in die Zwischenrunde. Nach der Weltmeisterschaft wurde der deutsche Topscorer zusammen mit Michael Hackert und Michael Bakos zum besten deutschen Spieler gewählt. Ein Jahr später erreichte die Mannschaft bei der Weltmeisterschaft 2008 in Kanada erneut die Zwischenrunde. Auch diesmal spielte Wolf mit seinen gewohnten Sturmpartnern zusammen und wurde unter den Augen einiger NHL-Scouts, die durch seine überragende DEL-Saison auf ihn aufmerksam wurden, zusammen mit Marco Sturm und Chris Schmidt zum besten deutschen Spieler gewählt. In der Vorbereitung für die Eishockey-Weltmeisterschaft 2009 in der Schweiz stand Wolf in allen Spielen auf dem Eis und erzielte insgesamt sechs Tore, darunter ein Hattrick gegen die Auswahl Dänemarks. Anschließend erhielt er erwartungsgemäß seine dritte WM-Nominierung. Am Ende des Turniers stand für Deutschland der sportliche Abstieg, nachdem man fünf von sechs Spielen verloren hatte. Wolf selbst konnte erstmals keinen Treffer erzielen und bereitete lediglich den 2:1-Siegtreffer von Michael Bakos im Spiel gegen Ungarn vor. Insgesamt gelang es keinem Spieler des Teams, die erwartete Leistung zu bringen.