सितंबर 1943 की शुरुआत से लेकर 20 जुलाई 1944 तक, वॉन स्टॉफ़ेनबर्ग, हिटलर का सफाया करने और जर्मनी का नियंत्रण अपने हाथों में लेने की साजिश के पीछे की मुख्य प्रेरणा शक्ति थे। अपने संकल्प, संगठनात्मक क्षमता और कट्टरपंथी दृष्टिकोण से उन्होंने उस निष्क्रियता को समाप्त कर दिया जो इस संदेह और चर्चा से पनपी थी कि क्या हिटलर के व्यवहार ने सैन्य उसूलों को अप्रचलित कर दिया है। अपने दोस्त हेनिंग वॉन ट्रेस्कोव की मदद से, उन्होंने साजिशकर्ताओं को एकजुट किया और उन्हें कार्रवाई में लगाया.

स्टॉफ़ेनबर्ग को पता था कि जर्मन कानून के तहत, वे एक उच्च राजद्रोह कर रहे थे। उन्होंने 1943 के अंत में षड्यंत्रकारी एक्सल वॉन डेम बुशे को खुलेआम बताया, ""ich betreibe mit allen mir zur Verfügung stehenden Mitteln den Hochverrat..."" ("मैं अपनी सम्पूर्ण ताकत और तरीकों से उच्च राजद्रोह कर रहा हूं..."). उन्होंने खुद को उचित ठहराते हुए बुशे से प्राकृतिक क़ानून (""नाटुररेश्ट"") के तहत अपने अधिकार को उद्धृत किया ताकि हिटलर की आपराधिक आक्रामकता से लाखों लोगों के जीवन को बचाया जा सके (""नॉटहिल्फे")."

जब षड्यंत्रकारी जनरल हेल्मुथ स्टीफ़ ने साल्ज़बर्ग के पास क्लेसहाइम महल में 7 जुलाई 1944 को घोषणा की कि वे हिटलर की ह्त्या करने में असमर्थ हैं तो स्टॉफ़ेनबर्ग ने बर्लिन में साजिश रचते हुए हिटलर को व्यक्तिगत रूप से मारने का फैसला किया। तब तक स्टॉफ़ेनबर्ग को सफलता की संभावना के बारे में काफी संदेह था। ट्रेस्को ने उन्हें सफलता ना मिलने की स्थिती में भी आगे बढ़ने के लिए आश्वस्त किया और कहा, "ह्त्या का प्रयास किया ही जाना चाहिए. अगर यह विफल भी होता है, तब भी हमें बर्लिन में कार्रवाई करनी चाहिए", क्योंकि यही एक तरीका जिससे हम दुनिया को बता सकते हैं कि हिटलर का शासन और जर्मनी एक नहीं है और समान भी नहीं हैं और यह कि सारे जर्मन वासियों ने सरकार का समर्थन नहीं किया था।

मूल योजना के अनुसार स्टॉफ़ेनबर्ग को बर्लिन में बेन्डेलस्ट्रासे कार्यालयों में रहना था, ताकि वे नियमित रूप से यूरोप में मौजूद इकाई को फोन कर सकें और उन्हें नाज़ी संगठनों के नेताओं को गिरफ्तार करने के लिए मना सके जैसे कि "सिशेरहाईटडिन्स्ट" (एसडी) और "गेस्टापो" . दुर्भाग्य से, जब जनरल हेल्मुथ स्टीफ़ ने जो आर्मी हाई कमांड में चीफ ऑफ़ ऑपरेशन थे और जिनके पास हिटलर तक की नियमित पहुंच थी, हिटलर को मारने की अपनी पूर्व प्रतिबद्धता से अपने हाथ खींच लिए तो स्टॉफ़ेनबर्ग ने मजबूरन दो महत्वपूर्ण भूमिकाओं को अपने जिम्मे लिया: बर्लिन से दूर हिटलर की हत्या करना "और" उसी दिन कार्यालय समय के दौरान सैन्य तंत्र को तैयार करना. स्टीफ़ के अलावा, वही एकमात्र षड्यंत्रकारी थे जो हिटलर से नियमित रूप से मिलते थे (अपनी ब्रीफिंग के दौरान) 1944 के मध्य तक और साथ ही वही एकमात्र अधिकारी थे जिनके पास वह संकल्प और मनाने की क्षमता थी जिससे वे जर्मन सैन्य नेताओं को हिटलर के मरने के बाद मना सकते थे। इस आवश्यकता के कारण एक सफल तख्तापलट का अवसर कम था।

स्टॉफ़ेनबर्ग द्वारा हिटलर से मिलने की कई असफल कोशिशों के बाद गोरिंग और हिमलर जब साथ थे, तो स्टॉफ़ेनबर्ग 20 जुलाई 1944 को अपनी साजिश को अंजाम देने के लिए "वोल्फशान्ज़े" में आगे बढ़े. स्टॉफ़ेनबर्ग ने ब्रीफिंग कमरे में दो छोटे बम युक्त अटैची लेकर में प्रवेश किया। मिलने के स्थान को अप्रत्याशित रूप से भूमिगत "फूररबंकर" से बदल कर स्पीर के लकड़ी के बैरक/झोपड़ी में कर दिया गया। वे पहले वाले बम को विशेष अनुकूलित प्लायर से तैयार करने के लिए कमरे से निकले, यह कार्य उनके लिए कठिन हो गया था क्योंकि उनका दायां हाथ नहीं था और उन्होंने बाएं हाथ की तीन उंगलियां खो दी थीं। एक गार्ड ने दस्तक दी और दरवाज़ा खोला और उनसे जल्दी चलने को कहा क्योंकि बैठक शुरू होने वाली थी. नतीजतन, स्टॉफ़ेनबर्ग केवल एक बम तैयार करने में सक्षम हो सके. उन्होंने दूसरा बम अपने "शिविर सहयोगी", वार्नर वॉन हेफ्टेन के साथ छोड़ दिया और ब्रीफिंग कमरे में लौट आए, जहां उन्होंने उस अटैची को मेज के नीचे रख दिया, हिटलर के जितना पास हो सकता था उतना. कुछ मिनट बाद, उन्होंने माफ़ी मांगी और कमरे से बाहर निकल गए। बाहर निकलने के बाद, उस ब्रीफकेस को कर्नल हाइन्ज़ ब्रांट ने हटाया.

जब विस्फोट ने झोपड़ी को उड़ाया, तो स्टॉफ़ेनबर्ग को विश्वास हो गया कि कमरे में कोई नहीं बचा होगा. हालांकि चार लोग मारे गए और लगभग सभी घायल हुए, हिटलर खुद भारी, ठोस ओक मेज द्वारा विस्फोट के प्रभाव से बच गए और केवल थोड़ा घायल हुए.

स्टॉफ़ेनबर्ग और हेफ्टेन शीघ्र ही वहां से निकल गए और पास के हवाई अड्डे पहुंचे। बर्लिन वापस आने के बाद, स्टॉफ़ेनबर्ग ने तुरंत ही अपने दोस्तों को नाजी नेताओं के खिलाफ सैन्य तख्तापलट करने का दूसरा चरण आरंभ करने को प्रेरित किया। जब जोसेफ गोबेल्स ने रेडियो द्वारा घोषणा की कि हिटलर बच गया है और जब बाद में, खुद हिटलर ने व्यक्तिगत रूप से रेडियो पर भाषण दिया, तो साजिशकर्ताओं को एहसास हो गया कि तख्तापलट विफल हो गया है। उन्हें उनके "बेन्डेलेरस्ट्रासे" कार्यालयों में खोज निकाला गया और थोड़ी देर चली गोली-बरी के बाद, जिसके दौरान स्टॉफ़ेनबर्ग के कंधे में गोली लग गई, उन्हें पकड़ लिया गया।

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