Mit seinem Weggefährten Compaoré und den Offizieren Jean-Baptiste Ligani und Henri Zongo organisierte er einen Staatsstreich, der am 4. August 1983 durchgeführt wurde. Compaoré schuf den Nationalen Revolutionsrat (CNR), dessen Vorsitzender Sankara nach seiner Befreiung wurde. Er wurde so zum fünften Präsident von Obervolta. Der Staatsstreich wurde wahrscheinlich von Libyen unterstützt, das sich damals durch den Libysch-Tschadischen Grenzkrieg am Rand eines Krieges mit Frankreich befand.