Az 1944 karácsonya utáni időszakban Wallenberg már fenyegetve érezte magát és állandóan lakhelyet változtatott. A Lévai által közölt tanúvallomások szerint már december 26-án szeretett volna átmenni (menekülni?) az oroszokhoz, majd január 10-én újrakezdte a készülődést, hogy a már a város keleti részébe mélyen behatolt orosz csapatokhoz menjen. Január 13-án a Nemzetközi Vöröskereszt irodáját egy orosz őrnagy által vezetett katonák foglalták el, akinek Wallenberg bemutatkozott, és az orosz őrnagy nagyon udvariasan magával vitte. A szemtanúk szerint Wallenberg saját akaratából követte. Talán Wallenberg naivitására utal, hogy teljesen megbízott a szovjetekben.
Ettől kezdve Wallenberg a szovjet hadsereg foglya volt. Egyes szemtanúk szerint Moszkvában az NKVD tartotta fogva, majd követségi munkatársával, Langfelderrel együtt a Lubjankába került. 1945. március 8-án szovjet nyomásra a Magyar Rádió bemondta, hogy Wallenberget a Debrecenbe vezető úton a nyilasok vagy a Gestapo ügynökei meggyilkolták. 1957-ben aztán azt állították, hogy 10 évvel korábban a Lubjanka börtönben halt meg.
Halálának pontos helye és ideje ismeretlen. Van aki 1945-re, más 1947-re teszi, de élnek feltételezések arról is, hogy évekkel később halt meg valamelyik szovjet börtönben. Az orvosi jelentést Wallenberg haláláról, amely 1947. július 17-re helyezi Wallenberg halálának dátumát, több svéd történész is hitelesnek találta, legalábbis a halál dátumát illetően.
2016. október 26-án a svéd állam hivatalosan is holttá nyilvánította Wallenberget. A svéd adóhivatal határozata szerint az embermentő diplomata formális halálozási dátuma 1952. július 31. A hivatal indoklása szerint azért választották ezt a dátumot, mert Wallenbergről 1947 júliusa óta nincs hír, és a svéd törvények szerint az eltűnt személyeket eltűnésük után öt évvel kell halottnak tekinteni.