Cuối năm 1945, quân Pháp nổ súng tái chiếm Nam Bộ. Trước sức mạnh của quân Pháp, các lực lượng vũ trang Nam Bộ nhanh chóng bị tan rã thành nhiều nhóm vũ trang độc lập. Trần Tử Oai bỏ ngũ về nhà. Năm 1946, ông trở lại phục vụ trong Quân đội Pháp, được thăng cấp Thiếu úy và được cử làm Đại đội trưởng. Khi Chính phủ lâm thời Quốc gia Việt Nam được thành lập năm vào đầu tháng 5 năm 1948, ông được thăng cấp Trung úy, chuyển sang làm Phụ tá Văn phòng trưởng cho Thủ tướng Nguyễn Văn Xuân.