通过朋友的介绍史陶芬伯格结识了军队中的反纳粹小组成员，他们是一批对纳粹深恶痛绝的德**人，正在密谋策划暗杀希特勒的行动。从此史陶芬伯格积极参与了策划暗杀希特勒的准备活动。他们的打算是，除掉希特勒，接管政府，组成以贝克将军为的临时机构并与反法西斯盟国进行谈判，签订和约。
一九四四年七月一日史陶芬伯格被任命为国内驻防军总司令部最高长官，从而有了接触希特勒的机会，从七月初起史陶芬伯格就一直把炸药放在公文包中，准备见机行事炸死希特勒。在七月中旬他曾三次与希特勒直接接触，但由于希特勒的左膀右臂戈林和希姆莱不在场，而未下决心动手，因为反纳粹小组坚持把希特勒及其主战骨干一网打尽，七月二十日史陶芬伯格将再次前往“狼窝”，参加讨论东部战役的重新部署问题，这是他几周中第四次来这里讨论各种方案，他下定决心，这次无论如何要杀死希特勒。
曾经一段时间，史陶芬伯格对克莱斯特面授机宜：德军即将改用新军服，一批样品已经生产出来，军工厂决定找个时间请军官和士兵试穿，让希特勒检阅。军工厂的内线已与施陶芬贝格达成秘密协议，刺杀行动就选在希特勒阅兵之时进行，而试穿军装的其中一人便是克莱斯特，按照设想，克莱斯特要把炸弹捆绑在腹部，待希特勒上前细看时引爆，与他同归于尽。但新军服在盟军轰炸期间全部被毁，希特勒一纸令下：取消阅兵式。
于是，秘密组织只能等待下一次机会，一九四四年六月，史陶芬伯格被提升为德国后备军司令弗洛姆将军的参谋长，这个位置使他能够经常与希特勒进行接触，并决心着手进行策划和准备，反复练习用残剩的三个手指安装操控英国制定时炸弹。一九四四年七月十一日，史陶芬伯格带了一个炸弹，与希特勒和戈林在一起待了半小时，但他没有拨动炸弹开关，因为希姆莱不在场，他们曾决定最好将纳粹三魔头(希特勒、希姆莱、戈林)同时杀死。
第二次机会是七月十五日，希姆莱和戈林都不在场，史陶芬伯格离开房间打电话通知伙伴，虽然只有希特勒一人，他也决定启动炸弹装置，可是当他返回会议室时，希特勒已经离开。七月十九日，史陶芬伯格突然接到通知，要他次日十三时到希特勒藏身的地堡“狼穴”报告关于编组新的“人民步兵师”的进展情况。这一次，决他定不论另外两人是否在场都要炸死希特勒。
七月二十日早晨，阳光灿烂，天气很热，史陶芬伯格带着自己的副官哈夫登中尉飞往“狼穴”，他在公文包里放了三样东西：两枚炸弹、一个定时引爆装置和一件衬衫。十一时，他准时到达“狼穴”，一位负责接待的副官现他的皮包非常重，史陶芬伯格神态自若道：“我们有很多事情要谈。”
十二时过后，史陶芬伯格走进最高统帅部长官凯特尔的办公室，凯特尔告诉他，因为墨索里尼要在十四时三十分到达，原定13时召开的会议提前到十二时三十分。时间已所剩无几了，左眼失明，左手只有三个手指的施陶芬贝格匆忙躲进厕所，开始组装炸弹。盛夏的高温加上过分紧张，使施陶芬贝格的动作变得迟缓。有几位军官甚至从他附近走过，看见他在包什么东西，但谁能想到，史陶芬伯格上校竟敢在希特勒的指挥部组装炸药，而且他是位众人皆知的人物，一九四三年他在突尼斯的一次战斗中严重受伤，炮弹炸断了他的右手，左手只剩下三个指头，右眼完全失明，但由于他指挥正确、作战英勇很受希特勒赏识。
希特勒曾表扬他是一个有思想、很理智的指挥官，因此没有人会怀疑史陶芬伯格在做什么“坏事”。
但在凯特尔副官不断的催促下，史陶芬伯格只好把原定的两枚炸弹减为一枚，定时装置设为十二分钟。
他换下湿透的衬衫，匆忙赶到会场，原以为会议会在地下室里举行——地下室的墙是钢筋混凝土，墙上无窗，炸弹的威力会非常集中。可是他却被领进了一座木屋，这座木屋有三个窗子，炸弹在这里的威力将大打折扣。
会议已经开始。特勒正坐在桌子一边的中央，背对着门，一边听着6军副参谋总长兼作战处长豪辛格将军的汇报，一边摆弄着他的放大镜，桌子四周还站着二十来个军官。史陶芬伯格站到桌子旁边，把皮包放在了桌子下面，离希特勒的腿约两米远，此时是十二时三十七分，再有五分钟，皮包里的炸弹就要爆炸了。
史陶芬伯格请求离开一会给他的上司打个紧急电话，趁机溜了出去。
他身旁的一位军官俯身到桌上，想更清楚地看地图，现史陶芬伯格那只鼓鼓囊囊的皮包碍事，就用一只手把它拣起来放到桌子那个厚厚底座的靠外一边。这样一来，在炸弹和希特勒之间就隔着这个厚厚的底座，也许就是这个看来不经意的举动救了希特勒的命，也改变了之后的历史。
十二时四十二分，炸弹准时爆炸，一声巨响后，二十四名与会者中四人当场死亡，但刺杀的目标希特勒却逃过一劫，仅烧伤了大腿、烧焦了头、震坏了耳膜。巨响之后，史陶芬伯格看见了建筑物冒出浓烟和火舌，他毫不怀疑屋内所有人或被炸死或受重伤，虽然警报立即拉响，他还是顺利通过四道党卫军的检查哨所，抵达了附近的飞机场，飞往柏林。
抵达柏林后，史陶芬伯格随即命令启动“瓦尔基里计划”，企图夺权，然而，几个小时后，他们得到消息：希特勒没死！
克莱斯特急忙向施陶芬贝格汇报：“我们现在遇到了麻烦，你要想想办法！”
但希特勒没死，就等于任何办法都是无用的。
暗杀行动失败后，希特勒立即展开血腥报复，当夜凌晨史陶芬伯格等四名主要参案者被枪决，死时史陶芬伯格只有三十五岁，随后一百一十名涉案军官被捕。在后来的几天里有过反纳粹言行的五千多人被投入监狱，凡是参与暗杀希特勒的军官都惨遭“盖世太保”的酷刑折磨后被害，这些人要么被钢琴上的金属丝吊死，要么被用钩子钩死，处死的部分过程被拍摄下来，供希特勒细细“欣赏”。
据德国史书记载，被杀的一百多名德**官没有一个人对自己的行动表示忏悔，他们默默写下遗嘱，高呼口号英勇就义。
应该说一九四四年七月二十日的这次刺杀希特勒行动是德国反抗纳粹统治的一次重要标志，但很多德国人并没有把它看作是理所当然的纪念日。到了二十世纪六十年代有一半以上的人不同意用史陶芬伯格的名字命名任何一所学校或街道，一些人甚至把史陶芬伯格这些人称为叛国者，一个曾经参加过刺杀希特勒的人从当时的西德跑到东德，德国舆论竟称，当过一次叛国者的人永远是叛国者。
直到一九八三年有关部门才开始把反法西斯的历史资料集中存放起来，以示重视，但是很大一部分史学家坚持认为，在第二次世界大战时反对希特勒的只是少数对纳粹行为不满的人，并没有形成真正的反战力量。因此，当时很多文字在描述“七二零”行动时都使用贬义的“政变”字眼，长时间以来不少德国人仍然不愿意特别谈及第三帝国和二战。
直到八十年代后期，德国领导人开始正视德国二战的历史，德国总理施罗德曾讲过，如果现在的青少年连那段历史都不知道，我们怎么能避免历史重演呢？那些长眠地下的受害者怎么会瞑目呢？这段历史又怎能用“不堪回”四个字了得？
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