Im Alter von 63 Jahren, am 1. August 2012, wurde Vahrenholt vom Kuratorium der Deutschen Wildtier Stiftung zum Alleinvorstand und Nachfolger des Gründers der Stiftung, Haymo Rethwisch, ernannt. Die Stiftung, die vom Stifter mit einem Stiftungskapital von 150 Millionen ausgestattet wurde, setzt sich mit fast 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im gemeinnützigen Teil der Stiftung und ihrem wirtschaftlichen Geschäftsbetrieb Gut Klepelshagen für den Erhalt und die Schaffung von Lebensräumen für heimische Wildtiere ein.
Seiner Zeit oft voraus hatte Vahrenholt in seiner Amtszeit bereits 2015 das Insektensterben mit dem Großprojekt zum Wildbienenschutz in urbanen Räumen Deutschlands zum Thema gemacht. Sein besonderes Engagement galt auch dem Schaffen von Wildnisflächen in Deutschland. Durch Kauf und Übertragung von bundeseigenen Flächen im Rahmen des Nationalen Naturerbes wuchsen die Wildnisflächen der Deutschen Wildtier Stiftung um rund 2.500 Hektar. Bei den Artenschutzprojekten setzte die Deutsche Wildtier Stiftung erfolgreich ein fünfjähriges Projekt zum Rotmilan um und startete ein Vorhaben zum Schutz des Feldhamsters. Beide Projekte wurden maßgeblich durch das Bundesprogramm Biologische Vielfalt finanziert. Daneben unterstütze die Stiftung während seiner Amtszeit ein Projekt zur Auswilderung von Luchsen im Pfälzer Wald und setzte selbst ein Forschungsprojekt zur Wildkatze um.
Im Zusammenhang mit der Energiewende erhob die Deutsche Wildtier Stiftung ihre Stimme für die Wildtiere und setzte sich dafür ein, Windenergieanlagen nicht in Waldgebiete zu bauen und Wildpflanzen als Alternative zum Mais in Biogasanlagen zu verwerten. Die Wildtier-Stiftung unterstützte zahlreiche der rund 1000 Bürgerinitiativen im Einsatz für den Artenschutz und gegen den Bau von Windenergieanlagen in Waldgebieten. Eine von der Stiftung vorgeschlagene Untersuchung zum Einfluss von Windkraftanlagen auf den Rückgang von Fluginsekten scheiterte an der Unterstützung des Bundesumweltministeriums.
Zudem gelang Vahrenholt die Übernahme der Schutzgemeinschaft Deutsches Wild und damit des Projektes „Tier des Jahres“ und die Fusion mit einer gemeinnützigen Stiftung in Mecklenburg-Vorpommern, die über umfangreichen Waldbesitz verfügt.
Am 19.12.2020 wurde Vahrenholt auf Grund seiner Klimapolitischen Position als Alleinvorstand der Deutschen Wildtier Stiftung vom Präsidium des Kuratoriums entlassen. Das Kuratorium hatte ihm zuvor mit Mehrheit das Vertrauen ausgesprochen. Fast die Hälfte des Kuratoriums kündigte danach ihren Rücktritt an.
In einer Stellungnahme stellte Vahrenholt fest, dass die vom Präsidium gewünschte Trennung begründet wurde mit seinem Schreiben an die Abgeordneten des Deutschen Bundestages „Die Erde wird grüner“ vom 9.9.2019 sowie seinem Interview im Hamburger Abendblatt vom 7.10.2019, das bundesweit von zahlreichen Zeitungen nachgedruckt wurde. https://www.abendblatt.de/hamburg/kommunales/article227295769/Ex-Umweltsenator-Es-gibt-keinen-Klimanotstand.html . Das Präsidium verlangte eine schriftliche Klarstellung gegenüber den Mitgliedern des Deutschen Bundestages , dem Hamburger Abendblatt und der TAZ ( die über das Schreiben an die Bundestagsabgeordneten berichtet hatte), dass es sich bei den in dem Schreiben und dem Interview dargelegten Sachverhalten nicht um Positionen der Stiftung handele.
Vahrenholt hat ein solches Schreiben an die Mitglieder des Deutschen Bundestages und die TAZ abgelehnt. Er ist nach wie vor der Auffassung, dass ein Schreiben an die Mitglieder des Deutschen Bundestages vor deren Entscheidung über ein höheres Tempo bei der Energiewende durch den Alleinvorstand der Deutschen Wildtier Stiftung mit der Satzung der Stiftung vereinbar ist. Immerhin wird die die Umsetzung der Ziele der Energiewende, insbesondere zum Ausbau der Windenergie – alle 2 km ein Windkraftwerk – die Landschaft in Deutschland sowie die Wälder zerstören und die darin beheimatete Tierwelt massiv bedrohen. Wer den Ausbau der Windenergie in Wäldern radikal ausschließt, muss auch den energie- und klimapolitischen Zusammenhang aufgreifen.