Warlimont escapó con heridas superficiales y conmoción cerebral leve del Atentado del 20 de julio de 1944 perpetrado por el coronel Claus von Stauffenberg. Ese mismo día, Warlimont se contactó con el mariscal Günther von Kluge para solicitarle que se desenmarcara del Putsch contra Hitler. Por esta razón, Warlimont fue considerado como sospechoso de ser conspirador; pero no se efectuaron acciones drásticas en su contra, manteniéndole Hitler en sus funciones. Von Kluge fue involucrado como conspirador al poco tiempo después. Warlimont negó el haber estado involucrado en el Putsch, pero la desconfianza y distanciamiento demostrada por Hitler le produjo una gran desilusión. Fue enviado a Francia para entrevistarse con Friedrich Ruge, ayudante del mariscal Erwin Rommel (herido por ataque aéreo) acerca del deterioro de la situación en Normandía y solicitó al general Jodl la intervención inmediata de fuerzas Panzer, sin embargo la respuesta favorable a la petición de Warlimont llegó tarde cuando ya los aliados habían consolidado sus posiciones.