Er legte 1904 das Abitur in Frankfurt am Main ab und trat am 1. Oktober 1904 in Darmstadt als Fahnenjunker in das Leibgarde-Infanterie-Regiment (1. Großherzoglich Hessisches) Nr. 115 ein. Am 27. Januar 1906 wurde er in diesem Regiment zum Leutnant befördert. Dem 1905 bestandenen Offiziersexamen schloss sich eine erfolgreiche Karriere als Militär im Kaiserreich und der Weimarer Republik an. Stülpnagel beteiligte sich am Kapp-Putsch 1920.
Seine Karriere fand auch in der Zeit der Nazidiktatur seine Fortsetzung. Aufgrund der Mordaktionen im Rahmen des "Röhm-Putsches" 1934 wurde seine Einstellung gegenüber dem NS-Regime zunehmend kritischer. Stülpnagel gehörte seit 1938 "zu den wichtigen Figuren der Staatsstreichplanung". Im Februar 1941 übernahm er den Oberbefehl über die in Aufstellung begriffene 17. Armee, die er im Zweiten Weltkrieg beim Überfall auf die Sowjetunion führte und mit der er an der Kesselschlacht von Uman (Juli - August 1941) teilnahm. Er befolgte die Anweisungen zur Kriegführung im Osten, die die Todestrafe für Partisanen und kriegsgefangene Kommissare der Roten Armee beinhalteten. Gleichzeitig wendete er sich jedoch gegen die zur Verfolgung und Ermordung von Juden geschaffenen Einsatzgruppen und vermied jede militärische Unterstützung dafür. Er ließ sich schließlich wegen militärischer und politischer Meinungsverschiedenheiten von seinem Oberbefehl entbinden, da er sowohl die Verantwortung für das Vorgehen der Einsatzgruppen als auch für die seiner Ansicht nach drohende Niederlage und Vernichtung der deutschen Armeen im Osten nicht tragen wollte.
Im Februar 1942 wurde er zum Militärbefehlshaber in Frankreich berufen. Er sah sich in der Lage, diesen Posten zu übernehmen, da durch Führerbefehl vom 9. März 1942 der Militärbefehlshaber in Frankreich von der Durchführung von "Sühnemaßnahmen gegen Verbrecher, Juden und Kommunisten" entbunden wurde, die nunmehr vom Höheren SS- und Polizeiführer wahrgenommen wurden. Zwar drängte er auf die Einstellungen von Deportationen, führte jedoch "den Kampf gegen die französische Widerstandsbewegung … mit der notwendigen Härte". Gleichzeitig stand er jedoch nach wie vor in engem Kontakt zum militärischen Widerstand um General Beck. Da er am Plan des Attentats aktiv beteiligt war, gelang es ihm in Paris die wichtigsten Funktionäre und Führer der SS, des SD und der Gestapo festnehmen zu lassen. Insgesamt wurden 1200 Angehörige des NS-Regimes verhaftet. Als in der Nacht des Attentats auf Hitler die Nachricht vom Scheitern nach Paris drang, wurde er von Generalfeldmarschall v. Kluge seines Postens enthoben.
Auf dem Weg nach Berlin versuchte er sich in Verdun das Leben zu nehmen, erblindet aber infolge der Verletzung. Er wurde in einem Lazarett in Verdun von der Gestapo verhaftet und am Tage darauf nach Berlin gebracht. Vom Volksgerichtshof am 30. August zum Tode verurteilt, wurde er durch den Strang in Berlin-Plötzensee am selben Tage hingerichtet.
Siehe auch Kameradschaft der Leibgardisten