Gove spillede en fremtrædende rolle i kampagnen for at melde Storbritannien ud af EU ("Leave kampagnen"). Ved folkeafstemningen den 23. juni 2016 stemte 51,89 procent af vælgerne for en udmeldelse ("Brexit"). Efter det stillede Michael Gove op som kandidat til posten som leder af det britiske Konservative Parti. Posten blev ledig, da David Cameron den 24. juni 2016 varslede, at han ønskede at gå af som partileder og premierminister senere på året. Ved fristens udløb var der opstillet fem kandidater: Liam Fox og Michael Gove blev stemt ud, Stephen Crabb og Andrea Leadsom trak sig, Theresa May blev partilederen den 11. juli og altså premierminister to dage senere. Derfor mistede Michael Gove sine ministerposter den 14. juli 2016.