Sau khi Nhật đảo chính Pháp vào tháng 3 năm 1945, ông cùng các tù chính trị ở Sơn La được thả tự do. Về đến Hà Nội, ông liên lạc với Xứ ủy Bắc Kỳ, và được giao nhiệm vụ cố vấn cho Uỷ ban Quân sự Cách mạng Hà Nội (Ủy ban khởi nghĩa). Cùng với Lê Trọng Nghĩa, ông còn là người liên lạc với Khâm sai Bắc bộ Phan Kế Toại, để đề nghị Phan Kế Toại đứng về phía Việt Minh. Sau khi Cách mạng tháng 8 thành công và nhà nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa ra đời, ông trở thành Trợ lý ngoại giao cho Chủ tịch Hồ Chí Minh, cùng với Tạ Quang Bửu, Bùi Lâm và Nguyễn Đức Thụy.