Wraz ze swoim adiutantem Cäsarem von Hofackerem (1896–1944) pozostawał w ścisłym kontakcie z kręgiem niemieckich opozycjonistów skupionych wokół generała Becka. W jego sztabie pracowali frankofile, opozycjoniści i intelektualiści, m.in. Ernst Jünger (1895–1998). Von Stülpnagel brał udział w spisku 20 lipca 1944 i udało mu się w pełni zrealizować zaplanowane działania. 20 lipca aresztował najwyższych funkcjonariuszy SS, SD i Gestapo. Jednak nie udało mu się przekonać dowódcy sił niemieckich na zachodzie, feldmarszałka Günthera von Kluge (1882–1944), by przyłączył się do puczu. Po nieudanym zamachu von Stauffenberga na Hitlera i niepowodzeniu puczu w Berlinie, von Kluge zdymisjonował von Stülpnagela.

21 lipca von Stülpnagel otrzymał rozkaz Wilhelma Keitla (1882–1946) stawienia się w Berlinie. W drodze do stolicy, koło Verdun na polu nad Mozą, próbował popełnić samobójstwo poprzez strzał w głowę. Próba się nie powiodła, a wskutek postrzału Stülpnagel stracił wzrok. Wkrótce potem został aresztowany przez Gestapo i dowieziony do Berlina, gdzie 30 sierpnia stanął przed Trybunałem Ludowym.