Bei Ausbruch des 2. Weltkrieges im September 1939 ging Diehl als Rittmeister wieder zur Wehrmacht; am 5. März 1945 meldete das "Svenska Dagbladet" in Stockholm fälschlicherweise, der Schauspieler sei im Zusammenhang mit dem Attentat vom 20. Juli hingerichtet worden, da er ein intimer Freund und Gesinnungsgenosse des Generalfeldmarschalls von Witzleben gewesen sei. Zutreffend war daran nur, dass zwischen von Witzleben und Diehl eine schon aus der Zeit vor dem Kriege stammende Bekanntschaft bestand, die aber keinerlei politischen Charakter hatte.

Karl-Ludwig Diehl stand nach dem Kriege in verschiedenen Städten auf der Bühne, so unter anderem bei Hilpert in Konstanz, an den Münchener Kammerspielen und seit 1950, nach der Übersiedlung Hilperts, am Deutschen Theater in Göttingen. In der Sommersaison 1952 beispielsweise spielte er Hauptrollen in "Das Leben mit Vater" von Howard Lindsay und in "Der Arzt am Scheideweg" von Shaw.
Auch im deutschen Nachkriegsfilm konnte der Schauspieler wieder Fuß fassen, in "Reise nach Marrakesch" hatte er 1949 seine erste Filmrolle nach dem Krieg; seine wohl beste Rolle im Nachkriegsfilm war 1955 die des Generaloberst Beck in "Es geschah am 20. Juli" von G. W. Pabst.
Der Schauspieler verkörperte im deutschen Film wie kein anderer vornehme Tugenden wie Treue und Heimatliebe und ganz "Gentleman vom Scheitel bis zur Sohle" kultivierte er diesen Typus, dessen besonderes Kennzeichen darin bestand, Haltung zu bewahren. (Quelle: Lexikon der deutschen Film- und TV-Stars" von Adolf Heinzelmeier/Berndt Schulz)
  
Karl-Ludwig Diehl, der bis zu seinem Tod auf einem Berghof im Karwendel-Gebirge lebte, verstarb am 8. März 1958 nach längerem, schweren Leiden im Alter von 62 Jahren in seinem Landhaus bei Penzberg in Oberbayern; er war mit Mary, geb. Freiin von Ruffin verheiratet und hatte zwei Töchter.