В 1584 году Рэли исследовал территорию в Америке вдоль реки Роанок и назвал её Виргиния в честь Королевы-Девственницы (сейчас эта территория в Северной Каролине). В 1585—1586 годах делались попытки создания первой колонии в этой области, а в 1587 году усилия увенчались успехом; в литературе созданная в 1587 году колония известна как колония Роанок или Пропавшая (затерянная) колония. Именно здесь родился первый английский ребёнок в Америке — Вирджиния Дер. Колонисты вскоре пропали без вести (до 1591 года), однако почин Рэли был продолжен другими английскими колонизаторами. Рэли широко почитается в США и особенно в штатах Виргиния и Северная Каролина как один из основателей американской цивилизации вообще. В честь его названа столица Северной Каролины — город Роли.
Однако после смерти королевы в 1603 году, новый король Яков I посадил Рэли в Тауэр, так как тот собирался возвести на престол его двоюродную сестру Арабеллу Стюарт. В ноябре королевский суд судил его за государственную измену и приговорил к смертной казни, однако исполнение приговора отложили на неопределённый срок.
В Тауэре Рэли пользовался известными послаблениями, встречался с навещавшими его аристократами, был в курсе всех городских вестей, вёл дневник и писал стихи, которые издавались. В тюрьме он написал «Всемирную историю». В 1616 году Рэли был выпущен из тюрьмы, чтобы организовать ещё одну экспедицию в Америку, на реку Ориноко в поисках Эльдорадо, которая закончилась неудачей. Кроме того, во время экспедиции люди Рэли нарушили перемирие с Испанией, нападая на испанские колонии.
По возвращении Рэли в Англию разочарованный Яков, по требованию испанского посла, утвердил старый приговор и велел отсечь сэру Уолтеру голову. Перед казнью Рэли написал стихи «The Soul’s Errand».
Единоутробным братом Уолтера Рэли был Хемфри Гилберт.
В кино
- Клайв Оуэн в фильме «Золотой век».
