В 1578—1579 годах Рэли принял участие в экспедиции своего сводного брата Хамфри Гилберта, командуя судном «Фалкон». Потеряв из виду другие корабли флотилии, Рэли вместо намечавшегося плавания в Северную Америку пошел к островам Зеленого Мыса. Шесть месяцев он охотился за испанскими и португальскими судами, испытал множество опасных приключений и в мае 1579 года привел свой парусник в Англию.
Вторую половину 1579 года и первые месяцы следующего года Рэли провел в Лондоне, дважды дрался на дуэли, после чего сидел в тюрьме. В 1580 году, став пехотным капитаном, он участвовал в подавлении антибританского восстания в Ирландии. В ноябре английские войска захватили мятежный город Смервик и жестоко расправились с пленными ирландцами.
В конце 1581 года Рэли покинул Ирландию и в начале следующего года вернулся в Лондон. Вскоре он становится одним из личных охранников королевы Елизаветы, позже – капитаном королевской стражи. Королева даровала Рэли доходную должность попечителя оловянных рудников в Девоне и Корнуолле, сделала лордом-лейтенантом Корнуолла и вице-адмиралом флота, подарила поместье Шерборн и позволила пользоваться дворцом Дарем-Хаус в Лондоне. Завистники ненавидели Рэли, но его слава опасного дуэлянта заставляла многих недоброжелателей прикусить языки.
В 1583—1587 годах Уолтер Рэли предпринял ряд попыток колонизации Северной Америки. Землю, куда прибыли английские колонисты в 1585 году, он назвал Виргинией, т. е. Девственной (в честь незамужней королевы Елизаветы). 6 января 1585 года королева возвела своего любимца в рыцари.
В период обострения англо-испанских отношений сэр Уолтер активно участвовал в снаряжении приватирских экспедиций, а также финансировал строительство боевых кораблей. Ему принадлежали корабли «Барк Рэли», «Роубак», «Арк Рэли». Галеон «Арк Рэли», построенный в 1586 году, был подарен владельцем королеве Елизавете и, переименованный в «Арк ройял», стал флагманом британского флота. Лорд-адмирал Чарлз Хоуард командовал им в 1588 году в сражениях с Испанской армадой. Сам Рэли в это тревожное для Англии время отвечал за оборону побережья Девоншира и Корнуолла.
В 1589 году Рэли присоединился к экспедиции Фрэнсиса Дрейка и Джона Норриса, отправлявшейся к берегам Португалии. В августе того же года он уехал в Ирландию, где посетил свои имения. Вернувшись в 1590 году в Лондон, он стал партнером известного судовладельца и организатора пиратских экспедиций Джона Уоттса. Снаряженная ими флотилия ходила к острову Роанок (Виргиния) и по пути захватила богатый приз.
Тайная женитьба Рэли на фрейлине королевы Элизабет Трокмортон (в ноябре 1591 года) и рождение у них сына (в марте 1592 года) разгневали ревнивую королеву. В конце июня 1592 года Рэли был арестован и заключен в Тауэр; туда же отправили и его жену. На свободу супруги Рэли вышли только 13 декабря. Почти весь следующий год они пробыли в замке Шерборн в Дорсетшире, где в октябре 1593 года у них родился второй сын – Уот.
В 1593—1594 годах Рэли, загоревшись желанием открыть сказочную страну «позолоченного касика» Эльдорадо, отправил в Гвиану (Южная Америка) две разведывательные экспедиции, а в феврале 1595 года сам возглавил экспедицию на р. Ориноко.
Захватив испанскую колонию на Тринидаде, Рэли исследовал дельту р. Ориноко и проник во внутренние районы страны, но, увы, так и не нашел город «позолоченного касика». Тогда он вернулся на Тринидад и, решив идти домой через Карибское море, разорил по пути город Куману в Венесуэле. В Плимут экспедиция вернулась в конце августа того же года. Хотя больших богатств Рэли из Америки не привез, его книга «Открытие Гвианы», изданная в Лондоне в 1596 году, сразу же стала бестселлером. В течение пяти лет появились голландское, два латинских и немецкое издания. В 1963 году ее издали в Москве на русском языке.
В начале 1596 году граф Роберт Эссекс и лорд-адмирал Чарлз Хоуард разработали план нападения на Испанию, в частности на порт Кадис. Рэли принял активное участие в подготовке экспедиции. 1 июня того же года флот, насчитывающий около 100 судов, покинул Плимут. Командование экспедицией осуществляли граф Эссекс и лорд-адмирал Чарлз Хоуард; Томас Хоуард был вице-адмиралом, Уолтер Рэли – контр-адмиралом.
20 июня английский флот подошел к Кадису. Рэли, предложивший Эссексу свой план операции, был назначен командовать судами авангарда. На рассвете его суда вошли в гавань и атаковали испанский флот. Десант, высадившийся на берег, блокировал и штурмовал город. На следующий день Эссекс вступил в переговоры с кадисскими купцами, предложившими ему выкуп за суда в размере 2 млн дукатов. Рэли утверждал потом, что стоимость судов и грузов превышала 12 млн дукатов. Пока шли переговоры, губернатор провинции приказал сжечь все находившиеся в бухте корабли, что и было сделано. Англичане успели захватить лишь 2 галеона. 3 и 4 июля они сожгли большую часть Кадиса.