Nach dem Attentat auf Hitler vom 20. Juli 1944, über das Bielenberg nicht vorab informiert worden war, wurde er von seiner Sekretärin verraten und im Rahmen der Ermittlungen in das KZ Ravensbrück gebracht. Hier sollte er Informationen über mit ihm befreundete Widerstandskämpfer preisgeben. Bei Haftbesuchen seiner Frau konnte das Ehepaar durch geschickte und waghalsige Aktionen Informationen austauschen, darunter ein in einer Streichholzschachtel verstecktes Schriftstück, das Informationen zu seinen Kontaktpersonen enthielt. Nach seiner Haftentlassung im Februar 1945 versteckte sich Bielenberg im Schwarzwald.