Il 4 ottobre 1941, a causa di contrasti emersi con l'OKW sulla condotta delle operazioni, fu sostituito al comando della 17ª armata dal generale Richard Ruoff e, dal febbraio del 1942 al luglio del 1944, fu nominato comandante militare della Francia occupata con sede a Parigi in sostituzione del cugino Otto. Gli avvenimenti che si erano svolti in Germania negli anni successivi al 1933, dopo la presa del potere da parte di Hitler e l'avvento del nazismo: lo scandalo Fritsch-Blomberg, le grandi epurazioni della Notte dei lunghi coltelli e l'annessione dei Sudeti avevano contribuito a rafforzare in lui la sfiducia nel nuovo regime, sfiducia che si manifestò quando accettò di aderire all'attentato a Hitler che ebbe luogo il 20 luglio 1944. Von Stülpnagel vi prese attivamente parte, dando ordine di arrestare circa 1.200 membri delle SS e della Gestapo e tentando di coinvolgere nell'Operazione Valchiria anche il comandante dell'Heeresgruppe B, il feldmaresciallo Günther von Kluge.