Em abril de 1964, um golpe de Estado derrubou Goulart. Brizola acolheu-o em Porto Alegre, na esperança de incentivar o exército local a reagir e assim restaurar o governo deposto. Brizola se envolveu em planos para enfrentar os militares, inclusive proferindo um ardente discurso público na Câmara Municipal de Porto Alegre, exortando os suboficiais do exército a "ocupar quartéis e prender os generais", o que lhe valeu o ódio duradouro dos comandantes militares da ditadura. Depois de um mês mal sucedido no estado, Brizola fugiu no início de maio de 1964 para o Uruguai, onde Goulart já estava no exílio depois de demonstrar pouco interesse com as tentativas de resistência armada. Politicamente solitário no início de seu exílio, eventualmente preferiu a política insurrecional ao reformismo. No início de 1965, um grupo de simpatizantes seus tentou e não conseguiu articular uma guerrilha nas montanhas do leste brasileiro ao redor de Caparaó. Outro grupo de guerrilheiros "brizolistas" se dispersaram após um confronto com o exército no sul. Este evento levantou suspeitas sobre a má administração de Brizola dos fundos que lhe foram oferecidos por Fidel Castro. Com exceção desse episódio, Brizola passou os primeiros dez anos da ditadura militar brasileira isolado no Uruguai, onde geriu a propriedade de sua esposa e manteve-se a par do que acontecia no Brasil. Ele rejeitou as tentativas de ser recrutado para a Frente Ampla, um grupo informal de líderes pré-ditadura da década de 1960 que pretendia pressionar pela redemocratização, incluindo Carlos Lacerda e Juscelino Kubitschek. Durante a tentativa de recrutamento, rompeu os laços restantes com Goulart; eles se reconciliaram em setembro de 1976. A StB, inteligência da Tchecoslováquia, entrou em contato com Brizola para auxiliá-lo numa reação armada contra o regime militar, mas ele considerou que, naquele momento, tal reação não seria possível.