ביולי 1944, לאחר שכ-437,000 יהודים מרחבי הונגריה נשלחו להשמדה באושוויץ, נשלח ולנברג מטעם משרד החוץ השוודי לבודפשט כדי לעזור בהצלת יותר מ-200,000 היהודים שנשארו בבירת הונגריה. בבודפשט היתה הקהילה האחרונה שנותרה באירופה.

ולנברג השתמש במעמדו הדיפלומטי כדי להנפיק דרכונים ליהודים הונגרים בחורף 1944, או לכנסם בבתים מוגנים שעליהם התנוססו דגלי שוודיה. הוא אף סייע בהעברת מזון ותרופות ליהודים.

ב-17 בינואר 1945 נראה ולנברג בבודפשט בליווי חיילים סובייטים, והעיר שאיננו יודע אם הוא אורח הסובייטים או אסירם. מאז נעלמו עקבותיו. גם שאר אנשי הצירות הוחזקו בידי הסובייטים אך הם חזרו אחרי כמה חודשים דרך בוקרשט ומוסקווה לשטוקהולם.

גורלו של ולנברג נתון בערפל עד עצם היום הזה. למרות ועדת בדיקה משותפת רוסית-שבדית, עדיין רב הסתום על הנגלה.

ב-1966 הוכר ראול וולנברג בידי יד ושם כחסיד אומות העולם.

כ-20 מוסדות חינוך קרויים על שמו בארצות הברית, דרום אמריקה, קנדה ואירופה. בהם בית ספר תיכון אלטרנטיבי על שם ולנברג בסן פרנסיסקו שבקליפורניה. בברוקלין שבניו יורק הוקם בית ספר יסודי שמציין את מורשתו של ולנברג מדי שנה בדצמבר.

המועצה האמריקנית על שם ולנברג מעניקה מאז 1985 את פרס ראול ולנברג לאנשים, ארגונים או קהילות המשקפים את הרוח ההומניטרית והאומץ שאפיינו את ראול ולנברג.

בשנת 2012 עוטר ולנברג במדליית הזהב של הקונגרס האמריקאי, עיטור הכבוד האזרחי הגבוה ביותר בארצות הברית.

ב-31.10.2016, 71 שנים אחרי שנעלם בהונגריה הודיעה שבדיה רשמית על מותו של ראול ולנברג.