Był typowany na kanclerza w przypadku powodzenia spisku generałów i oficerów z 20 lipca 1944 (prezydentem miał zostać generał Ludwig Beck). Zamach jednak nie powiódł się. Za Goedelerem ogłoszono list gończy. Wyjechał z Berlina, usiłując się ukryć. Początkowo ukrywał się we wsi Myśliwiec w powiecie wąbrzeskim. Później przeniósł się do powiatu kwidzyńskiego. Podczas wizyty na grobie rodziców w Kwidzynie został rozpoznany przez Helenę Schwärzel, która kojarzyła go jeszcze z czasów, gdy był zastępcą burmistrza w Królewcu. Kobieta wypatrzyła go 12 sierpnia 1944 roku jako obcego gościa gospody. Dzięki jej informacji Goerdeler został zadenuncjowany do Gestapo i tego samego dnia aresztowany. 8 września Trybunał Ludowy (Volksgerichtshof) skazał go na karę śmierci, ale przez dłuższy czas wyroku nie wykonywano, gdyż – torturując Goerdelera – usiłowano wydobyć informacje o innych spiskowcach. Dopiero 2 lutego 1945, po długotrwałych przesłuchaniach, Goerdeler został stracony przez powieszenie w berlińskim więzieniu Plötzensee.