За активную работу в 1927 году Н.Л. Волленберг был награжден Грамотой Коллегии ОПТУ, а позже почетным боевым оружием — маузером и золотым портсигаром.

В 1928—1930 годах Волленберг являлся полномочным представителем ОПТУ по Казахстану (Казахская АССР). Возвратившись в 1930 году в Москву, он работал на руководящих должностях в центральном аппарате ОПТУ С 1931 по 1933 год находился в особом резерве ОПТУ с откомандированием на учебу на курсы руководящего состава.

В начале 1933 года по личному распоряжению начальника внешней разведки А.Х. Артузова, хорошо знавшего Николая Львовича по его работе в Восточном отделе, Волленберг переводится в Иностранный отдел ОПТУ и вскоре направляется на оперативную работу в Иран в качестве руководителя тегеранской резидентуры.

С приходом к власти в Германии в 1933 году Гитлера Иран стал одним из объектов его активного внимания. Гитлеровское окружение хорошо понимало стратегическую важность этой страны, граничащей с Советским Союзом. Поэтому деятельность немецкой агентуры в Иране была направлена в первую очередь на превращение страны в плацдарм для ведения разведывательно-диверсионной работы против СССР. При попустительстве Реза-шаха немцы проникли в качестве инструкторов в армию, полицию и жандармерию. Их агентура находилась на ключевых позициях в иранских учреждениях. Германская разведка поставила перед собой цель создать в основных городах Ирана профашистские группировки, которые могли бы сыграть роль «пятой колонны» в ходе войны с СССР.

Безусловно, такие планы Германии не прошли мимо советского руководства. Перед внешней разведкой были поставлены задачи своевременно выявлять намерения немцев и их агентуры в Иране и нейтрализовывать их. Следует отметить, что внешняя разведка вела работу не против самого Ирана, так как он не представлял прямой угрозы для СССР, а использовала иранскую территорию для работы против потенциального противника — Германии.

Направление в Иран Волленберга, имевшего большой опыт контрразведывательной работы и работы в качестве одного из руководителей Восточного отдела ИНО, было вызвано в первую очередь складывающейся в этой стране обстановкой. И руководство разведки не ошиблось в выборе резидента. За короткий срок Волленберг сумел значительно активизировать деятельность тегеранской резидентуры и восстановить связь с рядом ценных источников. У сотрудников резидентуры появились перспективные разработки. Вся эта работа закладывала хорошую базу для успешного решения в дальнейшем разведывательных задач по Ирану. Но решались они уже без Николая Львовича.

В августе 1934 года Волленберг прибыл в Москву в отпуск. Руководство разведки положительно оценило деятельность резидента в Тегеране и… объявило о решении направить его на руководящую разведывательную работу в другую страну. Этой страной была Польша.

В декабре 1933 года Политбюро ЦК ВКП(б) приняло постановление об активизации внешнеполитической деятельности Советского государства, в первую очередь в Европе. Задача была не из легких. С приходом к власти в Германии Гитлера руководство страны приступило к реализации концепции установления «нового порядка» в Европе. Большинство европейских стран, граничивших с Советским Союзом, занимали по отношению к нему враждебную позицию. Особенно непримиримую политику проводила Польша, открыто высказывавшая СССР территориальные притязания. В январе 1934 года правительство Пилсудского — Бека подписало германо-польскую Декларацию о неприменении силы (ее называли также Пактом о ненападении) и целенаправленно срывало все усилия Советского Союза по созданию системы коллективной безопасности в Европе. Даже перед лицом возможной германской агрессии Польша отказывалась от рассмотрения предлагаемых СССР мер совместной защиты.

Перед советской разведкой в Польше на первое место выдвигалась задача получения надежной информации о планах и намерениях польского руководства, а также о возможности германо-польского сговора против СССР.

Н.Л. Волленберг был назначен руководителем резидентуры в городе Данциге (бывшее немецкое название польского города Гданьск). В ноябре 1934 года он прибыл к месту новой работы. По прикрытию занимал должность вице-консула СССР.

О важности «польского направления» во внешнеполитической деятельности советского руководства в те годы свидетельствует и такой факт: в 1934 году Полномочным представителем СССР в Польше был назначен Яков Христофорович Давтян — один из опытнейших советских дипломатов, возглавлявший в 1920—1921 годах под фамилией Давыдов Иностранный отдел ВЧК.

Резидент Волленберг активно включился в работу. Следует подчеркнуть, что благодаря усилиям советских разведчиков в Польше внешняя разведка НКВД создала хорошие агентурные возможности, позволявшие получать совершенно секретную информацию из МИДа, МВД и Генерального штаба этой страны.

Интересна характеристика на разведчика, направленная в конце 1935 года его непосредственным начальником по прикрытию Генконсулом СССР в Данциге В. Мещеряковым Полпреду СССР Я.Х. Давтяну. В ней, в частности, говорилось (сохранен стиль документа):

«Со служебно-деловой стороны — очень аккуратен, к делу относится внимательно. Текущую работу Генконсульства знает, отношение к обязанностям серьезное, добросовестное. Развитой, образованный, толковый человек, на которого можно вполне положиться и который может быть руководителем самостоятельного учреждения. Довольно уверенно держится в кругу иностранцев, и нет опасений, чтобы он чем-либо мог скомпрометировать нашу страну. Языком (немецким) владеет свободно.

С политической стороны — вполне ответственный работник, с отчетливым партийным лицом, знанием не только общей линии, но и всяких (доступных по печати) подробностей партийной работы и жизни.

С бытовой стороны — выдержанный, культурный, вполне ориентированный к особенностям заграничной обстановки. Хороший товарищ в будничной жизни. С ним не было ни у кого сколько-нибудь серьезных столкновений в быту. Пьет очень умеренно и за год с лишним здешнего пребывания ни разу не был, что называется, “выпивши”.

Жена его тоже выдержанная, развитая, без каких-либо тенденций к болтовне и без склочности».

Москва высоко оценивала работу резидента и возглавляемого им коллектива. Н.Л. Волленберг был награжден орденом Красного Знамени и вторым нагрудным знаком «Почетный работник ВЧК — ГПУ».

Вместе с тем в личных письмах в Центр Волленберг все чаще жаловался на резкое ухудшение состояния своего здоровья (сильный ревматизм, боли в суставах). По мнению местных врачей речь шла даже об инвалидности. В этой связи Волленберг обратился к руководству разведки с просьбой откомандировать его на отдых и лечение.

Такое разрешение было получено. 20 августа 1936 года майор госбезопасности Николай Львович Волленберг возвратился в Москву, а в конце 1937 года скончался.

В 1940 году во французской каторжной тюрьме города Ренн скончалась при невыясненных обстоятельствах русская эмигрантка, знаменитая певица Надежда Плевицкая, чьим голосом восхищались Леонид Собинов, Федор Шаляпин и даже сам император России Николай II, чья семья дружила с этой простой русской девушкой.