국가재건최고회의
1961년 군사정변이 성공하자 군사혁명위원회 의장, 계엄사령관, 국가재건최고회의 의장, 내각수반, 국방부장관으로 추대되었다. 같은 해 6월 정변 주체세력에 의해 해임되고 8월 22일 중장으로 예편되었다. 이후 박정희의 중앙정보부에 의해 '반혁명' 혐의로 기소되었다. 이 때 장도영을 체포 연행한 대위가 노태우였다.