I årene 1940-1944 etablerte han systematisk kontakter med ulike motstandsgrupper som arbeidet mot Nazi-regimet. Gjennom sin bror Dietrich fikk han kontakter med kirkelige motstandsgrupper, og gjennom sine svigerbrødre, Justus Delbrück, Dohnanyi og Rüdiger Schleicher fikk han mange kontakter blant militære motstandere av Hitler, spesielt i sirkelen rundt Wilhelm Canaris i Abwehr i Oberkommando der Wehrmacht. Gjennom sin kones fetter, Ernst von Harnack, ble han koblet til sosial-demokratisk motstand. Klaus Bonhoeffer førte også til at hans kollega, John Otto, blant andre, ble knyttet til motstandssarbeidet. Han brukte sine reisemuligheter videre i kampen mot nazistene.