Seinen dritten Raumflug trat Wolkow am 2. September 2015 an. Als Kommandant des Raumschiffes Sojus TMA-18M startete er zusammen mit dem Dänen Andreas Mogensen und dem Kasachen Aidyn Aimbetow zur ISS. Während Mogensen und Aimbetow schon nach kurzer Zeit mit Sojus TMA-16M zur Erde zurückkehrten, blieb Wolkow als Bordingenieur der ISS-Expeditionen 45 und 46. Die Rückkehr erfolgte am 2. März 2016, zusammen mit Michail Kornijenko und Scott Kelly, die fast ein ganzes Jahr auf der ISS verbracht hatten. Wolkow liegt mit 547 Tagen im All auf Platz 12 der Rangliste der erfahrensten Raumfahrer.