В начале первого часа дня Кейтель объявил участникам совещания, что из-за визита Муссолини оно переносится на 12.30 и пройдет не в подземном бункере, как планировалось, где поражающая сила взрыва была бы гораздо большей, в обычном казарменном помещении на поверхности. Перед самым началом совещания Штауфенберг с адъютантом активировали одну бомбу. Сделать тоже самое со второй им помешал случайный свидетель, поэтому ее Хефтен унес с собой. Войдя в зал, Штауфенберг занял место недалеко от фюрера, рядом с полковником Брандтом, поставив портфель с бомбой под стол, представлявший собой массивную столешницу, покоившуюся на двух солидных блоках. К одному из них, располагавшемуся ближе к стулу Гитлера, Штауфенберг и прислонил «адскую машину». После этого, сославшись на необходимость срочно позвонить в Берлин, начальник штаба резервной армии покинул совещание. В течение тех нескольких минут, прошедших между уходом Штауфенберга и взрывом, произошло одно важнейшее событие, расстроившее планы заговорщиков. Брандт, пока Штауфенберг отсутствовал, решил перебраться на его место, поближе к Гитлеру, и, наткнувшись на мешавший ногам портфель ушедшего, передвинул его ко второй, дальней от фюрера опоре стола. В 12:42 прогремел взрыв. Из числа участников совещания один — стенографист Бергер — был убит на месте; трое других — полковник Брандт, начальник штаба оперативного руководства ВВС генерал Кортен, шеф-адъютант вермахта при Гитлере и начальник управления личного состава сухопутных войск генерал-лейтенант Шмундт — вскоре скончались от полученных травм. Офицер связи главнокомандующего ВВС при ставке фюрера Генерал Боденшац, и адъютант Гитлера полковник Боргман получили тяжелые ранения. Все остальные отделались легкими ранениями или же не пострадали вообще.
Сам Штауфенберг, наблюдавший за происходящим со значительного расстояния, полагал, что Гитлер совершенно точно погиб. Ведь выжить не мог никто! Действительно, помещение оказалось полностью разрушенным, в стенах зияли огромные дыры, часть потолка обвалилась. Удостовериться в правоте сделанного вывода не было времени. Штауфенберг едва успел выскочить на машине за периметр оцепления, которое уже закрывало все выходы с территории ставки, доехать до аэродрома и вылететь в Германию.
Один из заговорщиков, который и должен был сообщить своим товарищам в Берлин о смерти Гитлера, генерал Фольгибель остался наблюдать за происходящим и к своему ужасу увидел, как опираясь на Кейтеля в обгорелом мундире из частично разрушенного здания выходит сам фюрер! Гитлер, в итоге, отделался лишь легким ожогом ноги, лопнувшими барабанными перепонками и частичной парализацией правой руки. Фольгибель отправил сообщение: «Произошло что-то ужасное. Фюрер жив». Участники заговора заблаговременно обеспечили информационную блокаду ставки, однако линии связи СС остались нетронутыми и официальные лица в столице Германии немедленно узнали о неудачном покушении на Гитлера.
К ядру заговорщиков стекалась противоречивая информация. С одной стороны Фольгибель сообщил, что фюрер жив. С другой, прилетевший Штауфенберг, не видевший выходящего из здания невредимого Гитлера, заявлял, что убил его. Тем временем власти не дремали. Расследование покушения шло полным ходом.
В 16.00 колебавшийся заместитель командующего резервной армией генерал Ольбрихт все же отдал приказ о проведении мобилизации в соответствии с планом «Валькирия». Однако генерал Фромм, знавший о заговоре, но занимавший выжидательную позицию, позвонил в ставку Кейтелю и, узнав, что покушение закончилось неудачей, решил занять сторону фюрера, попытавшись арестовать пришедших к нему Ольбрихта, Штауфенберга и других. Однако те сами посадили его под арест. В этот самый момент в войска резервной армии были отправлены приказы. Солдаты начали выдвигаться для занятия указанных им в плане «Валькирия» объектов. В половине шестого вечера по радио было объявлено о неудачной попытке покушения на фюрера.
После завершения оцепления правительственного квартала резервной армией, получивший вместе с приказами подготовленное заговорщиками заявление о смерти фюрера и попытке его ближайших сподвижников захватить власть, в министерство пропаганды к Геббельсу прибыл командир одного из подразделений майор Ремер. Министр пропаганды тут же при нем связался с Гитлером и передал офицеру трубку, чтобы тот убедился, что фюрер жив. Гитлер приказал Ремеру взять ситуацию в столице под контроль, что тот незамедлительно и начал делать, организовав у Геббельса командный пункт. Танковые части, выдвигавшиеся в Берлин для поддержки заговорщиков, получили новый приказ — о подавлении мятежа. Время работало против заговорщиков, они упускали возможность достичь успеха. Подразделения, подчиненные Ремеру, одерживали верх над войсками резервной армии, поддерживающими заговорщиков открыто.
К вечеру стало очевидно, что попытка переворота не удалась. В Вене и Париже арестованных вермахтом руководителей СС и гестапо освобождали. Те тут же приступали к задержанию причастных к заговору.