W czerwcu 1941 roku powrócił do Berlina. Po klęsce pod Stalingradem w styczniu 1943 roku przyłączył się do organizacji antynazistowskiej planującej usunięcie führera. Obiecano mu, że w nowym rządzie obejmie stanowisko ministra spraw zagranicznych. Zamach 20 lipca 1944 roku nie udał się, a Hitler przeprowadził krwawy odwet. Schulenburg został aresztowany i stracony 10 listopada 1944.