Commons Leader Chris Grayling, som stöder en Leave Voice, sade till BBC: "Han måste stanna, jag vill att han stannar."
Nordirlands sekreterare Theresa Villiers sade till Sky att han var den "rätte mannen att ta oss ut ur Europeiska unionen".
Det kommer efter f.d. kansler Ken Clarke föreslog statsministern "skulle inte klara 30 sekunder om han förlorade folkomröstningen".
Även om David Cameron kämpar för att Storbritannien ska stanna kvar i Europeiska unionen, är det många konservativa parlamentsledamöter och några medlemmar i hans eget kabinett som vill lämna landet.
EU:s folkomröstning: På djupet
Storbritanniens EU-röst: Allt du behöver veta
EU för nybörjare: En guide
Storbritannien och EU: Bättre ut eller in?
A-Z-guide till EU-språk
Vem är vem: Rösten Lämna laget
Vem är vem: Den återstående kampanjen
Charles Clarke, en veteran som arbetar för Europeiska konservativa, sade till BBC förra veckan att det var "farcical" att föreslå att Cameron skulle kunna förbli premiärminister om Storbritannien röstade för att lämna EU i folkomröstningen den 23 juni, trots att han kämpade för att stanna kvar i.
Han förutspådde att partiet skulle "dras in i en konservativ ledarskapskris".
Men Commons ledare Mr Grayling berättade för BBC Ones Andrew Marr Show: "Jag vill aktivt att David Cameron ska stanna, inte bara för att han är en mycket bra premiärminister, utan för att han faktiskt har de relationer vi behöver runt om i Europa för att bygga förhandlingsprocessen.
"Det skulle vara katastrofalt, enligt min mening, om vi röstar för att gå och sedan blir distraherade av en konservativ ledarskapstävling. Han måste stanna, jag vill att han stannar."
Han sade att statsministern kunde vara "en del av ett team" som skulle förhandla om Storbritanniens utträde ur EU men tillade att "det behöver människor som vill lämna det laget också".
David Davis, före detta skugghemssekreterare, berättade för programmet att han trodde att statsministern kunde stanna kvar men skulle behöva utse någon "som trodde på förhandlingarna" för att leda exitsamtal.
Och Nordirlands sekreterare Villiers, som också stöder kampanjen Leave, sade till Sky News: "Det är mycket viktigt att han stannar oavsett omröstningen i folkomröstningen eftersom han är en stor premiärminister".
Cameron själv har sagt att han skulle stanna kvar som premiärminister, även om han hamnade på förlorarsidan.
Men Suzanne Evans, f.d. vice ordförande för UKIP, som sitter i styrelsen för omröstningsledighet, sade att Cameron hade gjort ett "fruktansvärt jobb" i sina EU-förhandlingar inför folkomröstningen och hon ansåg att han borde avgå, om Storbritannien röstar för att gå. Hon sa till Pienaars politik: "Jag vill inte att han förhandlar på våra vägnar."
Den officiella folkomröstningskampanjen inleddes på fredag och rader har fortsatt om de potentiella effekterna av att lämna EU på handel, den inre marknaden och jordbruksfinansiering.
Labour's Yvette Cooper varnade för att det kan kosta "100 miljarder pund i handel" och leda till en förlust av tillverkningsjobb tillägger: "Det är arbetarklassen människor över hela Storbritannien som kommer att drabbas hårdast om vi hamnar förlora dessa jobb".
Och den franske ekonomiministern Emmanuel Macron sade att EU skulle behöva visa att det fanns "konsekvenser", om Storbritannien lämnade blocket "annars är det början på avvecklingen" av unionen. Dessa konsekvenser skulle omfatta "tillgång till den inre marknaden, eftersom du inte längre kommer att vara en del av klubben", sade han.
Men Grayling sade att det inte var realistiskt att föreslå att europeiska ledare skulle vilja äventyra handeln med Storbritannien eftersom "det finns miljontals europeiska arbetstillfällen som är beroende av brittiska konsumenter": "Vi köper mycket mer från Europeiska unionen än de köper av oss."
Inför ett möte i National Farmers Union sade Förenade kungarikets kommissionsledamot till EU:s Lord Hill att han trodde att det skulle medföra "fler hinder att lämna blocket och sannolikt leda till ett system där det finns nedskärningar i stödet" för brittiska jordbrukare - särskilt som Förenade kungarikets finansdepartement fortsatte att leta efter besparingar.
Men jordbruksminister George Eustice sade att det inte var upp till statskassan utan parlamentet, som skulle kunna "häva sig" om det tog tillbaka kontrollen över jordbrukspolitiken.
England cricket legend Ian Botam har lagt sin röst till Leave kampanjen. Han förklarade att Europeiska unionen är "raket" i ett stycke för Sunday Times och sade att det var "galet" att Storbritannien var begränsat i sin handel med "naturliga vänner" utanför EU.
Samtidigt förväntas USA:s president Barack Obama upprepa sitt stöd för Storbritanniens EU-medlemskap när han besöker Storbritannien nästa vecka.
Liam Fox, den konservative f.d. försvarsministern som stöder kampanjen Leave, sade till BBC One's Sunday Politics: " Naturligtvis är den amerikanske presidenten där för att uttrycka vad han tror ligger i USA:s intresse, inte i Storbritanniens intresse.... Det är absolut otänkbart att USA skulle tillåta en domstol att upphäva Högsta domstolen eller någon annan att bestämma sina yttre gränser."
Men den före detta talesmannen för det amerikanska utrikesdepartementet James Rubin svarade: " Amerika är ett mycket, mycket stort land. Det är en superkraft... bara för att vi inte gör något, betyder det inte att britterna inte ska göra det."
David Cameron bör fortsätta som statsminister att leda förhandlingar om Storbritannien röstar för att lämna EU, har två ministrar sagt.