"Alla i Wolves ser fram emot att välkomna Gary, erbjuda honom sitt fulla stöd och arbeta tillsammans för att hjälpa klubben att fortsätta jobba framåt", säger sportchefen Matt Hobbs till klubbens webbplats.
O´Neil var interimtränare ligakonkurrenten Bournemouth förra säsongen. Kontraktet med Wolves sträcker sig över tre år.
Engelsmannen tar över klubben efter spanjoren Julen Lopetegui. Lopeteguis kontrakt med klubben bröts under tisdagen. Spanjoren tog över Wolves i november förra året och räddade klubben från nedflyttning.
Wolves premiärspelar i den engelska ligan på måndag, borta mot storklubben Manchester United.