Hwang Hee-chan stod för Wolverhamptons avgörande mål efter 66 minuter.
Med en dryg halvtimme kvar att spela fick Julian Alvarez träff och kvitterade för Manchester City.
I 66:e minuten slog Hwang Hee-chan till, och gav Wolverhampton ledningen.
Wolverhampton har två segrar, en oavgjord och två förluster och 7–8 i målskillnad på de senaste fem matcherna, medan Manchester City har fyra vinster och en förlust och 13–5 i målskillnad. Det här var Wolverhamptons andra uddamålsseger den här säsongen.
Wolverhamptons nya tabellposition är 13:e plats, medan Manchester City fortfarande leder serien, ett poäng före Tottenham.
Nästa gång lagen spelar i serien är söndag 8 oktober. Då möter Wolverhampton Aston Villa på Molineux Stadium 15.00. Manchester City tar sig an Arsenal borta 17.30.