קשר העשרים ביולי
ניסיון ההתנקשות בחיי היטלר

סמוך לסוף חודש יוני 1944 קיבל שטאופנברג את תפקיד ראש המטה של הגנרל פרידריך פרום אשר שימש כמפקד "צבא המילואים" (Ersatzheer). בתקופה זו של נסיגה בכל החזיתות, היה חשש חמור כי עובדי כפייה, שהובאו במיליונים אל אדמת "הרייך", יתקוממו ויצטרפו לכוחות הנלחמים בחזית. חשש זה נוצל על ידי הקושרים שפעלו במטהו של פרום להכנת תוכניות מגירה להעברה מסיבית של כוחות אל הבירה ברלין, לכאורה לשם הגנה מפני התקוממות, ולמעשה לכיבוש נקודות מפתח כחלק מן הקשר. תוכניות אלו נקראו בשם הקוד "ולקיריה" (Walküre). תפקיד זה אף דרש משטאופנברג להיפגש בתדירות גבוהה עם היטלר, שדרש הקצאת כוחות נוספים לחזית הסובייטית.
מפקדתו של היטלר, המכונה "וולפשאנצה" ("מאורת הזאב"), שכנה בראסטנבורג, מרחק כמה מאות קילומטרים מברלין. שטאופנברג הגיע למקום אחת לכמה ימים לפגישות המטה. ביום 20 ביולי יצא שטאופנברג עם שלישו, הסגן ורנר פון האפטן, אל מאורת הזאב לשם תדרוך שגרתי. שטאופנברג, שאיבד במלחמה את עינו ואת ידו, היה מעל לכל חשד. הוא הצליח להחדיר פצצת זמן מתוצרת בריטית, שכפי הנראה סופקה לו על ידי הגנרל ארווין לאהוסן, ראש מנגנון החבלה של האבווהר, אל תוך חדר הישיבות, להציבה סמוך למקום בו עמד היטלר, להפעיל את המרעום ולצאת מן החדר. כאשר עבר את המחסומים ביציאה ממאורת הזאב הצליח לראות את הפיצוץ שגרמה הפצצה.
עם זאת, בשל נסיבות בלתי צפויות, שרד היטלר את הפיצוץ. גנרל היינץ בראנדט הזיז את התיק בו הייתה הפצצה, מכיוון שזו הפריעה לו לגחון לעבר המפה שעמדה על השולחן. הזזת התיק בסנטימטרים ספורים גרמה לכך שבין התיק ובין היטלר חצצה רגל עץ עבה. היטלר אמנם נפגע בפיצוץ באזנו ובידו, אך לא באופן שפגע בתפקודו.
שטאופנברג הניח כי היטלר מת, וטס במטוס לברלין, על מנת לקדם את תוכנית ההשתלטות על הרייך. הטיסה במטוס ארכה שלוש שעות, ומשהגיע למפקדת הקושרים בבנדלרבלוק בברלין ראה כי דבר לא בוצע. כולם המתינו לבואו, ולא נתנו את הפקודה לכוחות להתחיל בתנועה. כך אבדו שלוש שעות גורליות, בהן היה היטלר מנותק מן העולם במפקדה בראסטנבורג, כשאיננו יודע אם מדובר בהתנקשות של אדם בודד או בקשר נרחב, ומיהם הקושרים.
שטאופנברג הוציא בינתיים את פקודת "ולקיריה", והכוחות החלו בתזוזה על פי הפקודה. הוא הודיע לפרום כי היטלר מת, וכי עליו לקחת את הפיקוד על מבצע "ולקיריה" לשם ביטחון המדינה. בשלב זה טלפן פרום לגנרל וילהלם קייטל, וזה הודיע לו כי היטלר עדיין חי. פרום סירב לשתף פעולה עם הקושרים, ושטאופנברג הודיע לו כי הוא במעצר. בינתיים הגיעו לברלין כוחות על פי פקודת "ולקיריה" שהוציא שטאופנברג. הכוחות היו בפיקודו של מיור (רב-סרן) בשם אוטו רמר. רמר נצטווה, במסגרת הקשר, לעצור את שר התעמולה יוזף גבלס, אך משהגיע לעוצרו, הודיע לו גבלס כי היטלר חי, וקישר אותו להיטלר טלפונית. רמר, שהיה נאמן לשבועת האמונים להיטלר, החליט לעצור את הקשר, והורה לכוחותיו לפעול לדיכוי הקשר. בינתיים לא הצליחו הקושרים להניע כוחות נוספים, ולא השתלטו על מוקדי כוח נוספים, כגון תחנות רדיו. תחנות הרדיו שעדיין היו בשליטת היטלר מיהרו לשדר את החדשות כי היטלר עודנו בחיים.
פרום השתחרר ממעצרו, לאחר שהבטיח לשומרו באופן "ג'נטלמני" כי לא ינקוט כל פעולה. מיד מצא חיילים הנתונים למרותו, עצר את שטאופנברג, ועמו הגנרל לודוויג בק שאמור היה לקחת את הפיקוד על הצבא אילו הקשר היה מצליח, ורנר פון האפטן, קולונל אלברכט ריטר פון מרץ פון קירנהיים וגנרל פרידריך אולבריכט. פרום, שביחידה שתחת פיקודו השתמשו הקושרים למטרות הקשר, היה נחוש להיראות כמי שפעל לדיכויו, ולהעלים את כל הראיות המפלילות. לבק (שהיה ראש המטה הכללי בשנות השלושים, ומן המכובדים בקצינים הגרמנים) ניתנה האפשרות להתאבד. שטאופנברג, מרץ, האפטן ואולבריכט, נלקחו אל קיר במקום הקרוי "בנדלרשטראסה" (כיום "שטאופנברגשטראסה") ונורו שם. פעולה זו לא הצילה את פרום, שהוצא אף הוא להורג על "חלקו" בקשר, כמה חודשים לאחר מכן.
כך נכשל הקשר. בשעה אחת בלילה (של ה-21 בחודש) נאם היטלר לאומה, ובישר כי "כנופיה של קצינים שאפתנים" ניסתה להורגו אך נכשלה. הוא הבטיח לנקום בהם "בצורה שאנחנו, הנציונל-סוציאליסטים, רגילים לה".