Über seinen Kontakt mit Oberleutnant Fritz-Dietlof von der Schulenburg gehörte er zu den engen Vertrauten von Oberst Claus Graf Schenk von Stauffenberg. Am 20. Juli 1944 kam er – wie er selber später in einem Interview darstellte – zu Fuß zum Ersatzheer in den Berliner Bendlerblock. Gemeinsam mit Mitverschwörern wie Berthold Schenk Graf von Stauffenberg, Fritz-Dietlof von der Schulenburg, Friedrich Gustav Jaeger und Ewald-Heinrich von Kleist-Schmenzin wartete er dort auf Stauffenbergs Rückkehr vom Führerhauptquartier Wolfsschanze. Nach dessen Ankunft teilte der Attentäter fälschlicherweise den Anwesenden den Tod Hitlers mit. Fritzsche, der bei Erfolg das Regierungsviertel zu besetzen hatte, wirkte zunächst an der Verhaftung von Generaloberst Friedrich Fromm mit. Er stand dann Wache und war für die Sicherheit auf den Gängen zuständig. Durch Zufall konnte er sich als Adjutant eines österreichischen Oberst ausgeben und verließ während des Scheiterns des Umsturzes den Bendlerblock nach Potsdam. Nach einigen Tagen wurde er von der Gestapo verhaftet. Er war u. a. im Zellengefängnis Lehrter Straße inhaftiert. Am 14. September 1944 erfolgte der Ausschluss aus der Wehrmacht, was am 19. Dezember rückgängig gemacht wurde. Ein Infanteriefeldwebel seines Regiments, Blutordens-Träger, verbürgte sich auf Anweisung seines ehemaligen Chefs bei der NS-Führung für ihn. Am 12. Dezember 1944 stellte der Oberreichsanwalt beim Volksgerichtshof, Ernst Lautz, das Verfahren ein. Zuletzt mit einem Versetzungsbefehl zur kämpfenden Truppe als Bataillonskommandeur verwendet, begab er sich 1945 in sowjetische Kriegsgefangenschaft, in der er bis 1947 verblieb.