وأثناء فترة مرضه ظل يتأمل حال ألمانيا وبدأ جدياً يفكرفى التخطيط لاغتيال هتلر حتى لو كان الثمن التضحية بنفسه وكان قد أعيد للجيش عندما أكد أنه استعاد بصره جزئياً، وأنه تعلم الكتابة بأصابعه المتبقية ويستطيع أن يحل مكان ضابط آخر يستفيد منه الجيش على الجبهة.

وبعد عودته للخدمة أخذ يسعى بفضل علاقاته للحصول على مركز يتيح له مجال المثول أمام هتلر فحصل على منصب رئيس أركان الجيش الداخلى، وكان من شروط الاغتيال أن يؤدى الانفجار إلى اغتيال جورينج وهيملر أيضاً في العملية «عملية فالكيرى»، وخاض شتاوفنبرج هو ومن معه ثلاث محاولات لاغتيال هتلر بدء من ١١ يوليو ١٩٤٤ لم تنجح أي منها، وفي الأخيرة نجا هتلر وقبض على المشاركين في عملية الاغتيال وشكلت محكمة عسكرية، وحكمت على كل المتورطين في محاولة الاغتيال بالإعدام.

و«زي النهارده» 21 يوليو ١٩٤٤ أعدم شتاوفنبرج بالرصاص مع ٢٢ جنرالاً، فيما انتحر ٥٨، وكانت هوليوود قد أنتجت فيلماً عن حياة شتاوفنبرج يحمل اسم «فالكيرى»، يؤدى فيه توم كروز دور شتاوفنبرج.