Vahrenholt wechselte im Februar 1998 von der Politik in die Wirtschaft. Er ging in den Vorstand der Deutschen Shell AG (s. unter Shell) und übernahm u.a. die neugegründete Sparte der Erneuerbaren Energien. 2001 wurde er zum Vorstandsvorsitzenden der REpower Systems AG (s.unter REpower) berufen, einem kleinem mittelständischen Windkraftunternehmen mit Sitz in Hamburg. Vahrenholt brachte das Windkraftunternehmen durch eine Kapitalerhöhung von 80 Millionen € im März 2002 an die Börse und verließ das Unternehmen, als es für 1,3 Milliarden € vom indischen Wettbewerber Suzlon 2007 übernommen wurde. Von Februar 2008 bis Juli 2012 war er Vorstandsvorsitzender des neugegründeten RWE-Tochterunternehmens RWE Innogy GmbH (siehe unter Innogy). Mit jährlichen Investitionen von rd. 1 Milliarde Euro wurde das Unternehmen binnen 5 Jahren zu einem der führenden Investoren in Wind-, Wasser- und Biomassekraftwerke in Europa.