הוא שרד את גיהינום המלחמה שהביאו הגרמנים על היהודים בפולין הכבושה וניצל בנס ממוות. כשעלה הצורך, לחם שמואל וילנברג לצד פולנים אחרים נגד הצבא הגרמני, כולל במרד ורשה ב-1944.
כשגרמניה תקפה את פולין בספטמבר 1939 ופתחה במלחמת העולם השנייה, שמואל היה רק בן 16. משפחת וילנברג עזבה את ורשה למזרח פולין. למרבה הצער, עד מהרה התברר שפולין הותקפה על ידי ברית המועצות מכיוון זה. הסובייטים כרתו ברית עם היטלר לפני המלחמה (הסכם ריבנטרופ-מולוטוב).
הקרב הראשון
שמואל הצטרף כמתנדב לצבא הפולני ולקח חלק בהתנגחויות עם הצבא הסובייטי. עד מהרה חזר למשפחתו באופטוב. למרות שהגרמנים נעלו את היהודים בגטו, הצליחה משפחת וילנברג לצאת ממנו בזכות מסמכים מזויפים. מישהו הלשין על אחיותיו של שמואל והבנות הוחזרו לגטו.
שילוח למחנה ההשמדה
לבקשת אימו נסע וילנברג הצעיר לחפש את אחיותיו באופטוב. למרבה הצער, הוא לא מצא אותן, ואם להחמיר את המצב, הוא נקלע לאיסוף אנשים והועבר למחנה ההשמדה הגרמני בטרבלינקה (1942). שם, הוא העמיד פנים שהוא מניח לבנים ונמנע בנס ממוות. כולם מהשילוח שלו נרצחו בגז. שמואל שויך לקבוצת אסירים שעסקו בעבודת מחנה. במחסן שבו עבד הוא מצא את הבגדים של אחיותיו.
המרד בטרבלינקה ומרד ורשה
ב-1943 הוא השתתף במרד של אסירים במחנה טרבלינקה. הוא ברח משם ועשה את דרכו לוורשה. בבירת פולין הכבושה הצטרף וילנברג לצבא העם הפולני המחתרתי. ב-1944 הצטרף למרד הפולני נגד הגרמנים – מרד ורשה. הוא לחם במבנים של צבא הבית – הארגון הצבאי המחתרתי הגדול באירופה במהלך מלחמת העולם השנייה. לאחר כניעת המרד, הוא התחבא מחוץ לוורשה.
אחרי המלחמה
ב-1950 עזב שמואל לישראל. הוא הפך לגיאודטוגרף. לאחר פרישתו, יצר פסלי חימר המתארים סצנות מהמחנה הגרמני בטרבלינקה. הפחד והאימה ששררו במחנה נחשפים באותן יצירות. ב-1994 הפך שוב לאזרח פולני.
בין שאר האותות, הוענק לו העיטור הפולני הגבוה ביותר, צלב וירטוטי מיליטרי. נשיאי פולין כיבדו אותו גם על תרומתו להנצחת השואה.
שמואל וילנברג נפטר ב-19 בפברואר 2016 בתל אביב.