La deuxième, lors du coup d'État brésilien de 1964 qui a définitivement renversé Goulart du pouvoir. En effet, le , après la déposition de Goulart, Mazzilli assuma encore la présidence pendant deux semaines avant que Humberto de Alencar Castelo Branco ne prenne le pouvoir à la faveur d'élections indirectes. En raison de la nature transitoire de ses deux mandats présidentiels, Mazzilli n'a jamais joué de rôle important dans le gouvernement brésilien, sauf dans sa position de conciliation, évitant ainsi l'effusion de sang, d'abord en 1961 lors de la Campagne pour la légalité, puis, en 1964, lors du Coup d'État militaire.