Am 20. Juli 1944 hielt sich Gerstenmaier „mit Pistole und Taschenbibel“ im Berliner Bendlerblock auf, um den Umsturzversuch nach dem Attentat auf Hitler zu unterstützen. Dort wurde er verhaftet und vom Volksgerichtshof am 11. Januar 1945 als einer der wenigen Widerstandskämpfer, der Nichtanzeige seiner Kenntnisse über den Widerstand beschuldigt, nicht zum Tod, sondern unter Vorsitz des Präsidenten des Volksgerichtshofs Roland Freisler zu sieben Jahren Zuchthaus verurteilt, obwohl der Vertreter des Oberreichsanwaltes beim Volksgerichtshof (Anklagevertreter) die Todesstrafe beantragt hatte. In der mündlichen Begründung des für Freislers Verhältnisse milden Urteils führte er aus, Gerstenmaier sei „weltfremd und unter Umständen noch für die Gemeinschaft wiederzugewinnen“. Der stellvertretende Reichspressechef Helmut Sündermann und dessen Frau sollen sich auf Bitten von Gerstenmaiers Schwester Hanna für Gerstenmaier bei Freisler eingesetzt haben. Am 14. April 1945 befreiten die amerikanischen Truppen Gerstenmaier aus dem Zuchthaus Bayreuth, ehe die Nationalsozialisten die dort einsitzenden politischen Gefangenen erschießen konnten.