В марте 1942 года Штюльпнагель был назначен командующим войсками оккупированной Франции. Использовал свой пост для продолжения борьбы с нацистским руководством Германии. Через своего личного помощника оберст-лейтенанта (подполковника) Цезаря фон Хофакера поддерживал связь с группой заговорщиков под руководством Клауса фон Штауффенберга. План заговора предусматривал захват власти в Париже и немедленное предложение мира союзникам. После покушения на Гитлера 20 июля 1944 года Штюльпнагель приказал вверенным ему частям арестовать членов СС и гестапо в Париже. Это стало самой успешной операцией 20 июля: без единого выстрела было арестовано 1200 человек. Когда выяснилось, что «Валькирия» в Берлине провалилась, арестованных пришлось выпустить, а их арест объявить учениями. На следующий день Штюльпнагель был вызван в ставку Верховного командования. По пути в Германию он попытался застрелиться. Тяжелая рана оказалась несмертельной, хотя и повредила глазной нерв, приведя его к слепоте. Штюльпнагель был помещён в лазарет, а по выздоровлении выдан гестапо. На суде сохранил, по словам одного наблюдателя, «солдатскую выправку».