Sau đảo chính 1 tháng 11 năm 1963, ông hồi hương và được Hội đồng Quân nhân Cách mạng chấp nhận cho tái ngũ với cấp bậc cũ là Thiếu tướng, giữ chức Tham mưu phó Kế hoạch Bộ Tổng tham mưu, Phụ tá cho tướng Lê Văn Kim. Tuy nhiên, đến cuối tháng 1 năm 1964, tham gia âm mưu đảo chính bởi các tướng Nguyễn Khánh, Trần Thiện Khiêm và Đỗ Mậu. Sau khi cuộc Chỉnh lý nội bộ thành công, ông được thăng cấp Trung tướng và được cử làm Tư lệnh Quân đoàn IV và Vùng 4 Chiến thuật thay thế Thiếu tướng Nguyễn Hữu Có. Ngày 13 tháng 9 cùng năm, ông tiếp tục tham dự một âm mưu đảo chính (còn gọi là cuộc Biểu dương Lực lượng) nhằm lật đổ tướng Nguyễn Khánh do tướng Trần Thiện Khiêm cầm đầu. Chiều ngày 14 tháng 9, sau cuộc Biểu dương Lực lượng trên đường trở về Cần Thơ, ông bị bắt giữ và bị giải giao về Bộ Tổng Tham mưu đồng thời bị giải nhiệm chức vụ Tư lệnh Quân đoàn IV. Ngay sau đó Thiếu tướng Nguyễn Văn Thiệu đang là Tham mưu trưởng Liên quân được cử thay thế. Ngày 15 tháng 10, ông bị đưa ra xét xử tại Tòa án Quân sự Mặt trận Sài Gòn cùng với những người có liên can. Tại phiên tòa, ông và đồng nhóm vẫn tuyên bố đó chỉ là cuộc Biểu dương Lực lượng chứ không phải đảo chính. Ngày 23 tháng 10, tòa tuyên bố tha bổng nhưng toàn bộ thành phần liên can phải ra trước Hội đồng Kỷ luật quân đội. Sau đó ông bị buộc phải giải ngũ.