Судя по всему, в распоряжении заговорщиков оставалось всего несколько недель. Преждевременный выход войск на улицы Берлина 15 июля породил подозрения в ставке ОКВ. В этот день пришло сообщение, что генерал фон Фалькенхаузен, один из руководителей заговора на Западе, внезапно смещен со своего поста военного губернатора Бельгии и Северной Франции. Возникли опасения, что кто-то их выдает. 17 июля они узнали: Роммель настолько серьезно ранен, что не сможет помочь им в осуществлении их планов в течение неопределенно долгого времени. На следующий день друзья из штаба полиции предупредили Герделера, что Гиммлер подписал приказ о его аресте. По настоянию Штауфенберга Гёрделер был вынужден скрыться. В тот же день личный друг Штауфенберга капитан Альфред Кранцфельдер, один из немногих морских офицеров, состоявших в заговоре, предупредил его, что в Берлине распространяются слухи о том, будто ставка Гитлера в ближайшие дни взлетит на воздух. Снова, очевидно, произошла утечка информации. Все указывало на то, что гестапо сужает кольцо вокруг ядра заговорщиков. Вечером 19 июля Штауфенберг опять был вызван в Растенбург для доклада Гитлеру о положении дел с новыми дивизиями ополчения, которые армия резерва поспешно формировала для переброски на разваливающийся Восточный фронт. Ему было поручено на следующий день, 20 июля, сделать доклад в ставке фюрера на первом дневном совещании — в 13 часов. Штауфенберг попросил фельдмаршала фон Вицлебена и генерала Гёпнера, проживавших в пригороде Берлина, прибыть в город к назначенному времени. Генерал Бек сделал последние приготовления для руководства переворотом до того момента, когда Штауфенберг возвратится самолетом после выполнения своей задачи. Ответственные офицеры в гарнизонах внутри и вокруг Берлина были извещены о том, что 20 июля — день операции. На Бендлерштрассе Штауфенберг продолжал работать до вечера над докладом Гитлеру и отправился домой в Ваннзе вскоре после 8 часов вечера. По дороге он остановился у Далемского католического собора, чтобы помолиться. Вечер он провел дома с братом Бертольдом и рано отправился спать. Все, кто видели его днем и вечером, вспоминают, что он был приветлив и спокоен, как будто не предстояло ничего особенного.
Теплым солнечным утром 20 июля 1944 года, в начале седьмого, полковник Штауфенберг в сопровождении своего адъютанта лейтенанта Вернера фон Хефтена отправился на машине мимо разбомбленных зданий Берлина на аэродром в Рангсдорфе. В своем раздувшемся портфеле он вез документы о новых дивизиях ополчения, о чем ему предстояло в 13 часов докладывать в ставке Гитлеру. Между бумагами лежала завернутая в рубашку бомба замедленного действия.
Она была того же типа, что и та, которую Тресков и Шлабрендорф заложили в самолет фюрера годом раньше и которая не сработала. Срабатывала она после того, как разбивалась стеклянная ампула и находившаяся в ней кислота разъедала тонкую проволочку, освобождавшую боек, который ударял по капсюлю-детонатору. Толщина проволочки определяла время до взрыва. Этим утром он вложил в бомбу самую тоненькую проволочку. Она должна была раствориться за каких-нибудь 10 минут.
В аэропорту Штауфенберг встретил генерала Штиффа, который накануне вечером доставил ему бомбу. Там они разыскали ожидавших их личный самолет генерала Эдуарда Вагнера, первого генерал-квартирмейстра сухопутных войск и руководителя заговора, который позаботился о том, чтобы предоставить им самолет для этого важного полета. Самолет взлетел в 7 утра и в 10 с небольшим приземлился в Растенбурге. Хефтен проинструктировал летчика быть готовым к возвращению в любое время после полудня.
С аэродрома штабная машина доставила прибывших в ставку Вольфшанце, расположенную в мрачном, заросшем густым лесом районе Восточной Пруссии. Попасть туда было непросто, а выбраться еще труднее, что наверняка отметил про себя Штауфенберг. Она была построена в виде трех колец, каждое из которых прикрывалось минным полем, дотами и колючей проволокой под напряжением. Днем и ночью «логово» охраняли фанатично преданные фюреру войска СС. Чтобы проникнуть в тщательно охраняемый внутренний комплекс, где жил и работал Гитлер, даже высшие чины генералитета обязаны были представлять специальный разовый пропуск и пройти личный досмотр оберфюрера СС Раттенхубера, начальника управления безопасности у Гиммлера и командира подразделения охраны СС, или одного из его заместителей. Однако, поскольку Гитлер лично приказал докладывать Штауфенбергу, он и Хефтен, хотя их и остановили для проверки пропусков, сравнительно легко миновали три контрольно-пропускных пункта. После завтрака с капитаном фон Меллендорфом, адъютантом начальника гарнизона, Штауфенберг разыскал генерала Фрица Фельгибеля, начальника службы связи ставки.