Wraz ze swoim adiutantem Cäsarem von Hofackerem (1896–1944) pozostawał w ścisłym kontakcie z kręgiem niemieckich opozycjonistów skupionych wokół generała Becka. W jego sztabie pracowali frankofile, opozycjoniści i intelektualiści, m.in. Ernst Jünger (1895–1998). Von Stülpnagel brał udział w spisku 20 lipca 1944 i udało mu się w pełni zrealizować zaplanowane działania. 20 lipca aresztował najwyższych funkcjonariuszy SS, SD i Gestapo. Jednak nie udało mu się przekonać dowódcy sił niemieckich na zachodzie, feldmarszałka Günthera von Kluge (1882–1944), by przyłączył się do puczu. Po nieudanym zamachu von Stauffenberga na Hitlera i niepowodzeniu puczu w Berlinie, von Kluge zdymisjonował von Stülpnagela.