Son attitude est singulière lors du procès de Louis XVI. À plusieurs reprises, il tente de sauver le roi par ses interventions sur des questions d'ordre juridique, mais il ne réussit pas à convaincre les autres députés. Il défend d'abord l'idée que, la Constitution de 1791 ayant déclaré la personne du roi inviolable et sacrée, la Convention n'a pas la légitimité de se muer en tribunal. Cambacérès souhaite soumettre la compétence en la matière de la Convention à un référendum populaire, ce qui est rejeté. Il parvient néanmoins à faire accepter l'idée que le roi puisse disposer des moyens nécessaires à sa défense. Il est d'ailleurs chargé de se rendre à la prison du Temple pour communiquer au roi sa possibilité de choisir ses défenseurs. Au terme du procès, comme la majorité des députés, Cambacérès reconnaît le roi coupable de conspiration contre la liberté et d'attentat à la sûreté de l'État. Pour autant, il ne vote pas son exécution mais se prononce pour sa mort conditionnelle et sa détention jusqu'à la cessation des hostilités, ne pouvant considérer son exécution que dans le cas d'une invasion du territoire français. Pour motiver son vote, il déclare dans son discours que, dans le cadre des guerres qui impliquent la France, .