原计划由施陶芬贝格往东普鲁士拉森堡的“狼穴（Wolfsschanze，是二战时阿道夫·希特勒其中一个军事指挥部的代号，因为希特勒自己使用狼的绰号而得名）”在希特勒附近放置计时炸弹，然后立即前往柏林命令部队起义。并成立一个新的影子政府，由贝克上将担任国家元首，格德勒担任总理，大部份参与者都希望最终能恢复德国帝制。瓦尔基里行动是一个军事计划，假装柏林出现工人暴动，派出军队镇压。利用事件掩护更进一步的军事部署。
因为密不透风的狼穴内的高温和没有完工的建筑工程，希特勒把会议由地下碉堡转到地面一栋木质建筑内。施陶芬贝格虽然带了两枚炸弹，但他只能够装设其中一枚，然后放在一个公事包中。作为第三帝国的战争英雄，在北非战场失去了一只手和一只眼的施陶芬贝格上校，能够以“听觉受损”为由靠近希特勒。
施陶芬贝格上校在下午12时37分把载有炸弹的公事包放在希特勒右方橡木大桌桌腿侧，然后在会议中途静静地离开了会议室。当时希特勒伏在桌上看着东线地图，并聆听他的军官叙述战争形势。下午12时42分，炸弹爆炸，橡木大桌被炸成碎片，整栋建筑物倒下。施陶芬贝格目睹爆炸认为没可能有人生还。他与他的副官赫夫特中尉穿过一道又一道的保安封锁线离开狼穴，然后飞到柏林会合其他在战争指挥部等候的同谋。
然而。在爆炸前一刻，一位参加会议的上校为了看清楚地图而靠近桌子，不料被施陶芬贝格的公事包绊了一下，于是他把公事包推到桌腿外侧。厚实的桌腿为希特勒挡住了爆炸的冲击，木建筑物也减弱了爆炸的威力。再加上受制于身体的残缺和随身携带的公事包的大小，没能安装全部两颗炸弹，进一步降低了爆炸的威力。所以只有四人当场死亡。虽然大部份在场人士都挂了彩，可是希特勒却保住了性命，只受了点轻伤。
爆炸发生后，狼穴方面第一时间下达了击落施陶芬贝格座机的命令，但中途被空军的政变参与者截住了。埃尔温·冯·维茨莱本元帅在到达柏林陆军总司令部打算指挥政变部队时被捕。由于消息混乱，令弗利德利希·欧布利特将军迟迟未有展开瓦尔基里行动，延误了四小时直到施陶芬贝格到达柏林。
谋反者并未能占领电台令希特勒生还的消息得以传开。起初，柏林的后备军的确有执行施陶芬贝格的命令，但后来他们的长官阻止了行动，政变失败。
政变主谋施陶芬贝格上校、奥尔布里希特将军、基尔海姆上校及海夫顿中尉皆于当晚被捕，并旋即在战争指挥部的庭园内被弗雷德里希·弗洛姆将军下令枪毙。很多人包括希特勒都相信这次就地处决政变主谋，是有人暗中不使主谋者们有时间被逼供出更多的参与者。不过，希特勒事后以行动来回应这起政变，扩大事件而处决了5000名反对纳粹政权的人，有些人被酷刑煎熬至死。