Le colonel Claus Schenk Graf von Stauffenberg fut le centre de la Résistance au sein du commandement suprême des forces armées après que le général Hans Oster ait été limogé, après le démantèlement du groupe de résistants au sein du contre-espionnage, et après l'envoi de Henning von Tresckow au front de l'Est. Von Stauffenberg fut du 1^er juin au 20 juillet 1944 le chef de l'état-major du commandant des troupes de réserve. Il était convaincu que seule la mort de Hitler pourrait inciter la Wehrmacht à agir. Au début ébloui comme tant d'autres par les succès militaires de Hitler, ce n'est que pendant la guerre qu'il saisit le caractère criminel de la politique nazie. Blessé grièvement en Afrique, il perdit un œil, la main droite et des doigts de la main gauche, fut transféré à Berlin et y reçut en septembre 1943 un poste de chef d'état-major. Son supérieur, le général Friedrich Olbricht, qui était déjà depuis 1938 l'une des forces motrices pour un putsch au sein de l'armée, lui demanda d'entrer dans la Résistance active. Et c'est Friedrich Olbricht qui mit von Stauffenberg en contact avec Henning von Tresckow, Ludwig Beck et Carl Friedrich Goerdeler. Grâce à sa position centrale, tant sur le plan géographique que hiérarchique au sein de l'armée, von Stauffenberg œuvra pour l'unification des divers cercles et groupes de Résistance, afin d'assurer leur coordination lors d'un coup d'État. Par l'intermédiaire de Fritz-Dietlof Graf von der Schulenburg, il entra en contact avec le social-démocrate Julius Leber. Puis il entra en contact avec le cercle de Kreisau en faisant la connaissance d'Adam von Trott zu Solz, qui lui présenta son cousin Peter Graf Yorck von Wartenburg. Enfin, il rencontra Ludwig Beck dans la maison du grand chirurgien Sauerbruch. Von Stauffenberg étant parvenu à coordonner l'action de ces divers groupes, c'est lui qui dirigea les opérations à partir de Berlin lors du coup d'État.

A la suite de l'échec des tentatives d'attentats en 1943, et après l'arrestation des conjurés Julius Leber et Adolf Reichwein, von Stauffenberg se décida à exécuter en personne l'attentat à la bombe le 20 juillet 1944. Il en informa les résistants ayant des positions clés dans l'armée et dans l'administration. L'idée de tuer Hitler dans son quartier général, sa "Tanière du Loup" près de Rastenburg en Prusse Orientale, lors de la conférence quotidienne l'informant de la situation militaire, était de von Tresckow. Tous les précédents plans et tentatives d'éliminer le dictateur lors de ses rares déplacements s'étaient avérés irréalisables, puisque Hitler était trop prudent pour se tenir aux heures fixées et à l'itinéraire convenu, et puisqu'il se désistait trop souvent pour qu'il soit possible d'arranger un attentat et un putsch.

Le matin du 20 juillet 1944, von Stauffenberg partit de son appartement à Berlin-Nikolassee et prit l'avion pour Rastenburg, en Prusse Orientale, avec son aide de camp, le lieutenant Werner von Haeften. Dans la "Tanière du Loup", von Stauffenberg et von Haeften allèrent, sous prétexte de vouloir se rafraîchir et changer de chemise avant la conférence avec Hitler, dans la chambre de l'aide de camp de Keitel, le commandant Ernst John von Freyend. C'est là qu'ils voulaient amorcer les détonateurs des explosifs afin qu'ils déclenchent l'explosion 10 à 12 minutes plus tard, et mettre ceux-ci dans le porte-documents de von Stauffenberg. Les deux hommes furent dérangés par l'adjudant-chef Werner Vogel, qui les appela à venir à la conférence, c'est pourquoi ils ne purent amorcer que l'une des deux bombes prévues. La deuxième bombe resta dans le porte-documents de Werner von Haeften.

A 12h30, von Stauffenberg se rendit dans le baraquement où avait lieu la conférence. A son arrivée, Keitel annonça à Hitler que von Stauffenberg lui exposerait les mesures prises pour la mise sur pied d'unités de remplacement. Von Stauffenberg déposa alors son porte-documents près de Hitler, sous la table, et quitta le baraquement vers 12h40, sous prétexte de devoir aller téléphoner.

Vers 12h50, juste au moment où Hitler se pencha au-dessus de la table en chêne pour étudier des cartes, la bombe explosa. Cinq des vingt-quatre personnes présentes dans le baraquement furent tuées, les autres blessées. Hitler n'eut que quelques petites égratignures.

Von Stauffenberg entendit l'explosion et partit tout de suite en voiture avec von Haeften. Leur voiture, conduite par le lieutenant Erich Kretz, passa à environ 70 mètres à côté du baraquement enfumé et sortit de la zone de haute surveillance juste avant que l'alerte soit donnée et que toutes les sorties soient fermées. Arrivés au corps de garde extérieur, l'adjudant-chef Kolbe ne voulut pas les laisser passer. Von Stauffenberg téléphona alors au capitaine de cavalerie von Möllendorff à l'état-major de place, qui les autorisa à passer. Sur la route vers l'aérodrome, von Stauffenberg jeta le deuxième paquet d'explosifs par la fenêtre. Arrivés à l'aérodrome à 13h15, ils prirent aussitôt l'avion pour Berlin, où von Stauffenberg devait déclencher l'"Opération Walkyrie" et diriger le coup d'État.

L'"Opération Walkyrie" était au départ un plan qui organisait de façon très détaillée le déploiement de troupes de réserve vers le front. En 1943, ces plans furent élargis et transformés en un ordre d'alerte générale, au cas où les nombreux travailleurs étrangers et prisonniers de guerre détenus en Allemagne déclencheraient des émeutes ; l'état de siège aurait alors été déclaré et l'armée aurait pris le contrôle du pays. Ce plan n'avait en soi rien à voir avec un putsch éventuel, mais les conjurés y avaient ajouté des ordres secrets sous la forme d'enveloppes scellées que les commandants des unités concernées n'étaient autorisés à ouvrir que lors du déclenchement de l'"Opération Walkyrie" par le mot clé "Walkyrie". Ces unités auraient dû alors occuper les bâtiments du gouvernement et des ministères, les émetteurs radio, les bureaux de téléphone et de télégraphie, les camps de concentration, et contrôler les nœuds de communication. De plus, ces enveloppes contenaient l'ordre de désarmer les unités SS et d'arrêter leurs dirigeants.

Vers 14h, le chef de la SS, Heinrich Himmler, demanda à la présidence de la police du Reich à Berlin de charger des spécialistes d'élucider l'attentat. Il donna l'ordre d'arrêter von Stauffenberg. Ce n'est que vers 15h que le général Olbricht reçut à Berlin une vague information sur un attentat avec plusieurs victimes. Mais il se décida à attendre des nouvelles de von Stauffenberg, pour ne pas avoir à retirer l'ordre "Walkyrie" au cas où ce ne soit qu'une feinte. A 15h, von Stauffenberg était à Berlin et von Haeften diffusa la nouvelle de la mort de Hitler. Comme le commandant en chef Fromm refusa de participer à l'opération, Keitel lui ayant assuré que Hitler était toujours en vie, les conjurés l'arrêtèrent et confièrent le commandement suprême au feld-maréchal von Witzleben.

A partir de 17h30 furent donnés les ordres lançant l'"Opération Walkyrie". Il fut donné pour mission à Hoepner, un général limogé par Hitler, d'exécuter les ordres du plan en Allemagne, puis Ludwig Beck et Hoepner tinrent au Bendlerblock un discours devant les chefs de sections. Le général Friedrich Olbricht, alors que les troupes à Berlin et aux alentours étaient déjà en route pour exécuter l'opération, hésita avant d'envoyer ses spécialistes prendre possession des émetteurs radio et diffuser la déclaration du nouveau gouvernement au peuple allemand, car il jugeait la situation encore trop instable.

Un fonctionnaire du ministère de la propagande, qui était cet après-midi-là au bataillon de garde "Großdeutschland", put persuader le commandant qu'il serait préférable de demander à Goebbels avant d'entreprendre quoi que ce soit. Ce dernier fut ainsi informé du lancement de l'"Opération Walkyrie" et en avertit Hitler, qui ordonna tout de suite une contre-attaque. Goebbels fit diffuser à la radio la nouvelle qu'un attentat contre Hitler avait eu lieu, mais que celui-ci était en vie. Cette contre-réaction et l'ordre de ne pas tenir compte des ordres en provenance de Berlin semèrent l'inquiétude dans les troupes, qui demandèrent alors au Bendlerblock qui détenait le pouvoir de commandement.

Une contre-attaque eut également lieu au Bendlerblock. Fromm parvint à fuir après avoir propagé la nouvelle que Hitler était en vie. Plusieurs officiers, qui jusqu'alors n'avaient pas pris parti, prirent ainsi les armes pour combattre les conjurés. De plus, ils appelèrent des troupes de renfort, alors que les troupes appelées par les conjurés venaient de faire marche-arrière. Les conjurés furent arrêtés, et le général Fromm fit fusiller sur le champ quatre d'entre eux dans la cour du bâtiment : le général Olbricht, les colonels von Stauffenberg et Mertz, ainsi que le lieutenant von Haeften. Fromm donna à Ludwig Beck l'opportunité de se suicider.

A Paris, contrairement à la plupart des districts militaires, où les nouvelles annonçant la mort de Hitler et les informations contradictoires assurant qu'il avait survécu se croisèrent et semèrent la confusion, l'"Opération Walkyrie" fut exécutée avec davantage de succès. Le commandant en chef Carl-Heinrich von Stülpnagel y avait tout organisé lui-même, et certains de ses officiers, comme le lieutenant-colonel Cäsar von Hofacker, étaient au courant de tous les détails de l'opération. Celui-ci était un cousin de Stauffenberg ; il était non seulement en contact avec les conspirateurs berlinois et parisiens, mais également avec la Résistance française. Les conjurés mirent en état d'arrestation environ 1 200 personnes du service de la sécurité, de la SS et de la Gestapo, et allèrent voir le Generalfeldmarschall von Kluge, qui avait la fonction d'Oberbefehlshaber West (commandant en chef du front de l'Ouest) en France et dont l'attitude vis-à-vis de la conjuration était restée très indécise, afin de lui demander d'établir le contact avec les Alliés, mais celui-ci refusa. Il destitua von Stülpnagel et von Hofacker de leurs fonctions et leur conseilla de s'enfuir. Von Stülpnagel se résigna lorsque les mauvaises nouvelles en provenance de Berlin se multiplièrent, et donna l'ordre de libérer les prisonniers. Il tenta alors de se suicider et se blessa grièvement ; il fut arrêté par la Gestapo, condamné à mort et exécuté à Berlin-Plötzensee le 30 août 1944. Von Hofacker fut arrêté à Paris le 26 juillet 1944, condamné à mort le 30 août 1944 et exécuté à Berlin-Plötzensee le 20 décembre 1944. Le Feldmarschall von Kluge, après avoir reçu l'ordre de se rendre à Berlin, se suicida le 19 août 1944 sur un champ de bataille de la Marne.

En Allemagne commença alors une terrible chasse aux conjurés et à leurs sympathisants. La commission chargée d'élucider l'attentat et le coup d'État était constituée de 400 hommes de la Gestapo. Par la suite eurent lieu de très nombreux procès-simulacres sous la présidence du juge Freisler. Des milliers de personnes, les conjurés, ainsi que leurs proches et leur famille, en tout 5 000 à 7 000 personnes - cette méthode d'intimidation était pratiquée de façon systématique par la Gestapo - furent arrêtées ; 5 000 personnes furent condamnées à mort et exécutées à la suite de cette action de représailles.