Operation Valkyrie
7月20日、シュタウフェンベルクによるアドルフ・ヒトラー総統爆殺作戦が決行されたのち、ベルリン・ベンドラー街にある国内予備軍司令部にいたフロムは、国防軍最高司令部総長ヴィルヘルム・カイテルからの電話連絡で、ヒトラーが生き延びていることを知らされた。ヴァルキューレ作戦発動を要求するシュタウフェンベルクらに対し、フロムは計画が失敗したとしてこれを拒否し、自決を命じた。これは自分が共謀者として巻き込まれることを避ける目的もあったと言われている。シュタウフェンベルクらはフロムを執務室に軟禁した。夕方、ヒトラー派の治安部隊が司令部に突入してフロムは解放された。フロムは治安部隊に命じてシュタウフェンベルク、オルブリヒト、その参謀アルブレヒト・メルツ・フォン・クヴィルンハイム、シュタウフェンベルクの副官ヴェルナー・フォン・ヘフテンを逮捕させ、即決裁判で死刑を宣告し、その日の夜中に司令部の中庭で銃殺刑を執行した。かつての上官であるルートヴィヒ・ベック元参謀総長にはその要望を聞き入れて自決の機会を与え、ベックが拳銃自殺に失敗すると、部下に射殺させた。