La 1 iulie 1944, Stauffenberg a fost numit șeful statului major al generalului Fromm la cartierul general al Armatei de rezervă din Bendlerstrasse, în centrul Berlinului. Această poziție îi permitea să participe la conferințele militare ale lui Hitler, atât în Prusia Răsăriteană, cât și la Berchtesgaden. Stauffenberg era astfel în măsură să atenteze la viața lui dictatorului, cu ajutorul unei bombe sau al unui pistol. Conspiratorii nu fuseseră multă vreme de acord cu ideea asasinării dictatorului din motive etice sau religioase, dar și-au schimbat poziția, poate și ca urmare a unor mărturii despre exterminarea laAuschwitz a aproximativ 250.000 de evrei unguri – punctul culminant al Holocaustui.
Între timp, de partea conspiratorilor a fost adus un nou aliat important, generalul Carl-Heinrich von Stülpnagel, comandantul militar al trupelor de ocupație din Franța, care urma să preia controlul Parisului după asasinarea lui Hitler și să negocieze cu forțelel aliate un armistițiu imediat. Complotul era gata de a fi declanșat.
La începutul lui iulie, Stauffenberg a participat, purtând o bombă în geantă, la două conferințe ale lui Hitler. Dar datorită faptului că s-a considerat că nu numai Hitler, dar și Himmler și poate și Göring ar fi trebuit să moară pentru ca operațiunea Walküre să aibă șansă de reușită, atentatul a fost amânat de fiecare dată în ultima clipă, deoarece Himmler nu era prezent la conferințele militare. De fapt, complotiștii ar fi trebuit să știe că Himmler de obicei nu participa la conferințele militare ale lui Hitler.
La 15 iulie, când Stauffenberg a zburat din nou spre Prusia Răsăriteană, condițiile sus amintite au fost abandonate. Conform noului plan, Stauffenberg urma să plaseze bomba în sala de conferințe în care era se afla Hitler cu temporizatorul pornit, și atentatorul să părăsească sala sub un pretext oarecare, să aștepte explozia și moartea dictatorului, să zboare la Berlin și să se alăture complotiștilor din Bendlerblock. Urma apoi să fie declanșată operațiunea Walküe, iar Armata de rezervă urma să preia controlul asupra Germaniei și să-i aresteze pe principalii lideri naziști. Generalul Beck urma să fie numit șef al statului, fostul primar Goerdeler cancelar, iar Witzleben comandant suprem al armatei. Planul era ambițios, dar, cu un dram de noroc, nu era deloc nerealizabil.
O altă tentativă de asasinare a fost anulată în ultima clipă din motive care rămân necunoscute. Toți participanții la conversația telefonică care a dus la amânarea acestei tentative au murit până la sfârșitul anului 1944. Stauffenberg s-a reîntors la Berlin furios și dezamăgit. Plecând de la falsa prezumție că atentatul a avut loc și Hitler murise, la 15 iulie a fost declanșată parțial Operațiunea „Walküre”. Numai după depunerea unor eforturi uriașe și cu mult noroc, complotiștii au reușit să mascheze desfășurarea de forțe denumind-o „exercițiu de mobilizare”. La 18 iulie au apărut zvonuri, auzite și de Stauffenberg, conform cărora Gestapoul ar fi aflat de conspirație și că urmau să aibă loc arestări masive. Se pare că a fost o alarmă falsă, dar zvonurile au fost suficient de îngrijorătoare pentru a-i determina pe conspiratori să acționeze imediat. La ora 10:00 a zilei de 20 iulie, Stauffenberg a zburat la cartierul general de la Rastenburg ca să participe la o nouă conferință militară cu Hitler. Din nou, Stauffenberg avea o bombă în geantă. De menționat că, în ciuda maniei lui Hitler pentru securitate, ofițerii care se prezentau la conferințele militare nu erau supuși vreunei percheziții.
Conferința a început pe la ora 12:10. Stauffenberg a activat detonatorul, l-a plasat în masa de exploziv plastic preparat de Wessel von Freytag-Loringhoven și întreg ansamblul l-a introdus în geantă. A intrat în sala de conferințe și a plasat geanta cu bomba sub masa în jurul căreia se adunaseră Hitler și mai mult de 20 de ofițeri. După zece minute, Stauffenberg a părăsit camera sub un pretext oarecare. La 12:40 bomba a explodat, demolând cea mai mare parte a sălii de conferințe. Trei ofițeri și un stenograf au fost grav răniți și au murit curând. Dar Hitler a supraviețuit, suferind doar câteva răni neglijabile. Este posibil ca Hitler să fi scăpat din cauză că geanta cu explozibil fusese mutată în spatele piciorului mesei din stejar masiv, ceea ce l-ar fi ferit de explozie. Există prezumția că geanta ar fi putut fi mutată de un ofițer la capătul mesei opuse de locul unde se afla Hitler. Stauffenberg, după ce a auzit explozia și a văzut fum ieșind ferestrele cu geamuri sparte ale clădirii răvășite de explozie, a presupus că Hitler a murit, a sărit într-o mașină alături de Werner von Haeften și a fugit la aeroport. La ora 13:00, a decolat la bordul unui avion He 111 spre Berlin.
Înainte ca avionul lui Stauffenberg să aterizeze la Berlin (pe la ora 15:00), un alt membru al conspirației prezent la Rastenburg, generalul Erich Fellgiebel, a telefonat și a raportat că Hitler a supraviețuit atentatului. Acest telefon a făcut ca majoritatea complotiștilor să-și piardă curajul, judecând, poate pe bună dreptate, că mobilizarea „Walküre” nu mai avea nicio șansă în condițiile în care lumea urma să afle că Hitler supraviețuise. Confuzia a sporit în momentul în care Stauffenberg a aterizat la Berlin și a telefonat de la aeroport anunțând moartea lui Hitler. Complotiștii nu mai știau pe cine să creadă. În cele din urmă, la ora 16:00, Olbricht a dat ordinul de declanșare a Operațiunii „Walküre” și începerea mobilizării. Șovăielnicul general Fromm i-a telefonat mareșalului Wilhelm Keitel pentru a se asigura că Hitler este în viață. Keitel i-a cerut lui Fromm să-l găsească pe Stauffenberg. Keitel i-a spus lui Fromm că toate ițele complotul duc la cartierul lui general și că se află în mare primejdie să fie găsit vinovat de participare la atentat. Fromm a răspuns că crezuse tot timpul că Stauffenberg a fost alături de Hitler.
La ora 16:40, Stauffenberg și Haeften au ajuns la Bendlerblock. Fromm a profitat de situație și a schimbat tabăra și a încercat să-l aresteze pe Stauffenberg, dar a fost la rândul lui reținut de Olbricht și Stauffenberg sub amenințarea armelor. În acel moment însă, Himmler preluase controlul asupra întregii situații. El a dat ordinele necesare pentru contramandarea mobilizării operațiuni Walküre. În unele locuri, acțiunile loviturii de stat continuau, fiind conduse de ofițeri încredințați că Hitler murise. Ministerul Propagandei din Wilhelmstrasse, cu Joseph Goebbels în incintă, a fost înconjurat de trupe rebele, dar telefonul lui Goebbels nu a fost întrerupt. La Paris, Stülpnagel a dispus arestatrea comandanților SS și ai SD-ului (serviciul de securitate). La Viena, Praga și în alte câteva orașe mari, trupele rebele au ocupat birourile naziste și au arestat gauleiterii și ofițerii SS.
Momentul decisiv a venit la ora 19:00, când Hitler a contactat ministerul propagandei. Goebbels a aranjat ca Hitler să poată vorbi cu Otto Remer, comandantul trupelor care împresuraseră clădirea ministerului. Otto Remer a fost asigurat că führerul era în viață și a primit de la acesta comanda să preia controlul asupra capitalei germane. La ora 20:00, Witzleben a sosit la Bendlerblock și s-a certat rău cu Stauffenberg, care mai insista încă să se continue acțiunile loviturii de stat. Witzleben a plecat la scurtă vreme. Cam în același timp, preluarea puterii la Paris a fost abandonată când Günther von Kluge, care fusese numit de curând comandat șef al trupelor din vest, a aflat că Hitler era în viață și a trecut de partea regimului. Kluge l-a arestat în grabă pe Stülpnagel.
Membrii mai puțin hotărâți ai conspirației din Berlin au început să schimbe unul după altul tabăra. La Bendlerblock au izbucnit lupte între susținătorii complotului și și cei care se opuneau continuării lui. În timpul luptelor, Stauffenberg a fost rănit. Până la 23:00, Fromm a recâștigat controlul asupra garnizoanei, sperând ca prin zelul arătat să-și salveze pielea. Beck s-a sinucis, exemplul lui fiind urmat de mai mulți alți complotiști.
Fromm a declarat că a instituit o curte marțială cu un singur membru – chiar el – și i-a condamnat pe Olbricht, Stauffenberg, Haeften și pe Albrecht Mertz von Quirnheim la moarte. La ora 00:10 a zilei de 21 iulie, condamnații au fost executați în curtea cartierului general. Au urmat alte execuții, dar la ora 00:30 trupele SS conduse de Otto Skorzeny au ajuns la fața locului și a oprit orice execuție. Fromm s-a dus la Goebbels să pretindă că este cel care a înăbușit lovitura de stat. Fromm a fost arestat imediat.
