Đầu tháng 11 năm 1963, ông tham gia cuộc đảo chính Tổng thống Ngô Đình Diệm. Ngày 3 tháng 11, ông được thăng cấp Trung tá và được cử làm Tham mưu trưởng Không quân, thay thế Đại tá Đỗ Khắc Mai lên làm Tư lệnh Quân chủng thay cho Đại tá Huỳnh Hữu Hiền bị Hội đồng Quân nhân Cách mạng buộc giải ngũ. Trung tuần tháng 12 cùng năm, ông bàn giao chức vụ Tham mưu trưởng lại cho Trung tá Phạm Long Sửu, cùng ngày ông được cử giữ chức vụ Tư lệnh phó Không quân, do Đại tá Nguyễn Cao Kỳ làm Tư lệnh.