Đảo chính và bị đảo chính
Mặc dù vậy, với bản tính thận trọng, ông vẫn giữ được phần nào sự tin cậy của Tổng thống Diệm trong khi vẫn là nhân vật liên lạc của nhóm đảo chính, thậm chí giữ kín kế hoạch đảo chính với cả người Mỹ. Ngày 27 tháng 7 năm 1963 Đại tướng Lê Văn Tỵ, Tổng Tham mưu trưởng, sang Mỹ chữa trị ung thư phổi; Thiếu tướng Trần Thiện Khiêm, Tham mưu trưởng Liên quân, tạm thời làm Xử lý thường vụ Tổng Tham mưu trưởng. Trong một động thái đã được dự tính, ngày 19 tháng 8 năm 1963, ông dẫn đầu một phái đoàn gồm một số tướng lĩnh vào Dinh Gia Long để đệ trình Tổng thống Diệm một kế hoạch ban hành tình trạng khẩn cấp để tránh những tác hại lan rộng của Biến cố Phật giáo. Vì vậy, ngay ngày hôm sau 20 tháng 8, Tổng thống Diệm đã bổ nhiệm ông làm Quyền Tổng Tham mưu trưởng, nhằm mục đích thực thi kế hoạch.