31-åringen forlot Wolves i 2020 for spill i Tottenham, og signerte i januar en kontrakt på seks måneder med Atletico.
Den ble ikke forlenget etter sesongslutt, og dermed returnerer han til Wolves, opplyser klubben på sine nettsider.
Den irske backen har skrevet under på en treårskontrakt med Premier League-klubben.
Doherty signerte først for Wolverhampton tilbake i 2010 og har spilt 302 kamper for de oransjekledde.
Sportsdirektør Matt Hobbs gleder seg stort over å få Doherty tilbake.
– Han kjenner klubben og vet hva det betyr å spille her. Han har vært suksessrik her før og vet hva fansen ønsker. Han vil gli lett tilbake i gruppen, sier han.
[ Onana klar for Manchester United: – Har overkommet mange hindringer ]