Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Briton behövde bara en uppsättning för att nå de sista fyra, men slog Schweiz 6-4 6-2 till toppen John McEnroe Group.
Murray utökade sin vinnande strimma till 22 matcher och går vidare till ansikte Milos Raonic vid 14:00 GMT på lördag.
Serb Novak Djokovic möter Japans Kei Nishikori i den andra semin klockan 20:00.
Djokovic vann också alla tre av sina gruppmatcher, och Murray måste åtminstone matcha sina resultat på O2 Arena för att avsluta året på toppen av rankingen.
I den senaste gruppmatchen i turneringen, Croat Marin Cilic besegrade Japans värld nummer fem Nishikori 3-6 6-2 6-3.
Cilics seger innebär att han kommer att ersätta fransmannen Gael Monfils för att bli den nya världen nummer sex.
Murray stod emot en tidig spärreld av vinnare från Wawrinka innan han tog ett grepp om matchen halvvägs genom den första uppsättningen.
"Den första uppsättningen var tajt. Det fanns inte många chanser, "sade Murray, 29.
"Jag lyckades få pausen sent i inspelningen. I den andra uppsättningen hade jag redan kvalificerat mig för semis, så kanske var det lättare för mig att spela mer gratis än honom."
Scot visste att han bara behövde en uppsättning, medan Wawrinka verkligen var i behov av en straight-set seger, låna tävlingen en extra luft av spänning från även de tidiga stadierna.
En frisk kontingent av schweiziska fans bland de 16.000 åskådare lade till en atmosfär mer lik de senare stadierna av en Grand Slam.
Wawrinka, 31, sprängde fyra vinnare i öppningsspelet men kunde inte göra genombrottet och Murray kapitaliserade i spel sju.
En lös bakhand gav Murray en brytpunkt, och när schweizarna inte lyckades sätta undan ett förhandspass, kastade Wimbledonmästaren sig på nätet och uppmanade Wawrinka att slå sönder sin racket i vrede.
Murray kunde ha förlåtits för några nerver när tre punkter sedan halkade förbi på Wawrinka tjäna, men han tjänade lugnt i följande spel och kvalificering var säker.
Wawrinka satte en förhand att släppa tjäna i början av den andra och hans utmaning var allt utom över, som Murray tävlade 4-0 klart och stängde ut det efter en timme och 26 minuter.
Murrays 22-match vinnande körning motsvarar den karriär-bästa insats han satte tidigare i år från Queen's Club i juni till Cincinnati i augusti.
Under den körningen slog han Raonic i drottningens och Wimbledons final, och han har sedan dess haft ännu en seger över Kanadensaren i Cincinnati.
Raonic vann två av sina tre matcher i London. Han förlorade bara två matcher mot Djokovic.
"Han har spelat mycket bra i denna händelse", sade Murray, som har vunnit sin sista åtta i rad mot Raonic. "Detta är snabba förhållanden här och det kommer att bli tufft.
"Han har en stor serve. Det är en fantastisk stadion och atmosfär."
Andy Murray kvalificerade sig för semifinalen och stannade på rätt spår för att behålla världens första ranking med seger över Stan Wawrinka på ATP World Tour Finals.