1934 zog sich Eugen Bolz nach Beuron bei Ulm zurück und hielt weiterhin Verbindung zu seinen politischen Freunden aus der aufgelösten Zentrumspartei, der verbotenen SPD und der früheren liberalen Deutschen Staatspartei.
1941 nahm Carl Goerdeler Kontakt mit Eugen Bolz auf und weihte ihn in die Pläne des Widerstands ein. Bolz willigte ein, nach der geplanten Entmachtung Hitlers im Kabinett Kultusminister zu werden.
Warum Eugen Bolz den Bekennerbischof Joannes Baptista Sproll im Exil in Krumbad besuchte, ist nicht näher bekannt, dürfte jedoch mit dem 20. Juli 1944 in engster Verbindung stehen: Das Attentat auf Hitler am 20. Juli 1944 scheiterte und darauf erfolgte seine neuerliche Verhaftung. Eugen Bolz kam zunächst ins Amtsgerichtsgefängnis Stuttgart, dann ins KZ Ravensbrück und ab dem 2. November ins Untersuchungsgefängnis Berlin-Moabit.
Am 19. Oktober 1944 konnten seine Frau und seine Tochter Mechtild ihn besuchen.
In einem Brief an seine Tochter schreibt er:
„17. Oktober. Liebe Mechtild! Du bekommst meinen Brief vor der Mutter in die Hand. Darum ein Wort an Dich. Vor allem meinen herzlichen Dank, daß Du so treu und fest zur lieben Mutter und mir hältst. Du durchlebst eine schwere Zeit, vielleicht wird sie noch schwerer. Sie wird Dich ausreifen. Leben und Eigentum gelten nichts mehr. Nur die Seele ist unerreichbar für alle äußeren Mächte. Ihr muß unsere ganze Sorge gelten, damit sie gestärkt und veredelt die ernste Zeit überwindet. Wenn in den kommenden Wochen die Flut der Zerstörung noch ansteigt, so wissen wir doch auch, daß auf Flut Ebbe folgt und auf Zerstörung Aufbau. – Noch etwas. Heute wirst Du erkennen, daß Du Deinen Beruf ausfüllen mußt, bis übersichtliche Verhältnisse geschaffen sind. Sorge, daß Du ohne Verzögerung zu einem Abschluß (des medizinischen Studiums) kommst. Das macht Dich frei und gibt Dir Lebenskraft … Ich bemühe mich, in meiner einsamen Zelle eine gleichmäßige Stimmung zu halten, wenn es auch manchmal schwer ist. Gesundheitlich geht es mir gut. Die Herzbeschwerden haben nachgelassen. Meine Gedanken sind viel bei Euch.“
Ein Gnadengesuch seiner Frau, die ihn zuletzt als ganz gefasst erlebte, hat Hitler aus Rache an dem Gegner abgelehnt.
Am 21. Dezember 1944 wurde er vom 1. Senat des sog. Volksgerichtshofes wegen „Aufforderung zum Hochverrat und Feindbegünstigung“ zum Tode verurteilt.
Ein Augenzeuge berichtet vom Prozess:
„Leicht gebeugt steht der hochgewachsene ehemalige württembergische Staatspräsident Eugen Bolz vor seinen Richtern. Man sieht dieser weißhaarigen, ehrwürdigen Persönlichkeit keinerlei Erregung an. Leise, aber wohlüberlegt antwortet er ohne Stocken auf die oft gehässigen Fragen Freislers. Ruhig und nicht ohne Stolz schildert er seine Laufbahn vom Amtsrichter zum Präsidenten seiner württembergischen Heimat.” Selbst der kaltschnäuzige Richter Freisler kann sich dem Eindruck dieser starken Persönlichkeit nicht entziehen.
Die Vollstreckung erfolgte zusammen mit acht weiteren Männern am 23. Januar 1945 durch das Fallbeil.