Heusinger wusste von den Plänen der Verschwörer des Attentates gegen Hitler. Er war aber an der konkreten Planung und Ausführung nicht beteiligt. Trotz der Einsicht, dass der Krieg verloren sei, war der Generalleutnant der Meinung, seine Soldatenpflicht erfüllen zu müssen. Von dem unmittelbar bevorstehenden Anschlag ahnte er offenbar nichts. Am 20. Juli 1944 stand er unmittelbar neben Hitler, als die Bombe explodierte, die Claus Graf Schenk von Stauffenberg in seiner Aktentasche zurückgelassen hatte. Heusinger erlitt Kopf-, Arm- und Beinverletzungen. Danach wurde er in die Führerreserve versetzt. Am 23. Juli 1944 wurde er im Lazarett in Rastenburg von der Gestapo verhaftet, im Oktober 1944 allerdings wieder aus der Haft entlassen, da ihm nichts nachgewiesen werden konnte. In seiner Haftzeit verfasste er auch eine von Hitler wohlwollend aufgenommene „Denkschrift“, in der er alle ihm bekannten Informationen über die Verschwörer vom 20. Juli preisgab.