Il 14 giugno 1985 ha ricevuto l’ordinazione sacerdotale nel duomo di Colonia. Nell'arcidiocesi natale è stato vicario parrocchiale a Neuss, cappellano militare a Münster, vicario parrocchiale di Sankt Joseph a Ratingen e, dal 1990, segretario particolare del cardinale arcivescovo Joachim Meisner. Ha poi svolto, dal 1997 al 2003, l’ufficio di rettore del Convitto teologico Collegium Albertinum a Bonn. Nel 2000 ha ottenuto il dottorato in teologia.

Il 24 febbraio 2003 Giovanni Paolo II lo ha nominato Vescovo titolare di Scampa e Ausiliare di Köln. Il successivo 30 marzo, sempre nel duomo dove, secondo la tradizione, sono custodite le reliquie dei re magi, ha ricevuto l’ordinazione episcopale, scegliendo come motto: Nos sumus testes, «Siamo testimoni». Nel suo ministero di ausiliare a Colonia è stato responsabile del distretto pastorale Nord.

Il 2 luglio 2011, Benedetto XVI lo ha promosso Arcivescovo metropolita di Berlin, chiamandolo a succedere al cardinale George Maximilian Sterzinsky – il vescovo della riunificazione scomparso appena due giorni prima – che per gravi motivi di salute aveva rinunciato al governo pastorale il 24 febbraio.

L’arcivescovo Woelki ha preso solennemente possesso dell’arcidiocesi il 27 agosto, facendo l'ingresso nella cattedrale di santa Edwige. Nemmeno un mese dopo, il 22 settembre, ha accolto Benedetto XVI all’aeroporto internazionale di Tegel, in occasione del suo terzo viaggio in patria, il primo nella capitale tedesca. Salutandolo prima dell'inizio della messa celebrata la stessa sera dal Pontefice allo stadio olimpico, ha presentato Berlino come «una città nella quale solo circa una persona su tre appartiene a una Chiesa cristiana; una città dove Dio è stato dimenticato e che è caratterizzata dall’ateismo»; ma anche come «una città in cui molte persone chiedono Dio e chiedono di Lui».