Lundeberg spilte en ledende rolle ved behandlingen av unionsspørsmålet i riksdagen i 1905. Han var leder for komiteen som rettet så sterk kritikk mot regjeringen Ramstedt at den gikk av. I juli fikk han i oppdrag å danne ny regjering, i praksis var det en samlingsregjering. Ved forhandlingene i Karlstad med Norges statsminister Michelsen klarte han å oppnå et for Sverige akseptabelt resultat, ved de såkalte Karlstadforhandlingene.