El 25 de agosto de 2011, Raúl Tamudo ficha por el Rayo Vallecano de Madrid por una temporada. Su estreno como goleador en el Rayo Vallecano se produjo en la jornada 5 ante el Levante Unión Deportiva, un 21 de septiembre de 2011, en el minuto 72 del partido tras anotar un penalti. A pesar de su veteranía, el jugador catalán dio un buen rendimiento en el Rayo Vallecano, marcando un total de nueve goles en Liga y uno en Copa del Rey, incluyendo un agónico gol en el descuento del último partido del año, ante el Granada que suponía la permanencia en Primera para el equipo vallecano.