Sau năm 1954, ông không tập kết ra Bắc mà bí mật ở lại miền Nam hoạt động với tư cách là một tín đồ và là thành viên của lực lượng vũ trang Cao Đài ly khai. Trong giai đoạn này, chính sách của Trung ương Đảng Lao động Việt Nam là đấu tranh chính trị là chính, tránh sử dụng hình thức bạo lực có thể ảnh hưởng đến cuộc Tổng tuyển cử mà họ kỳ vọng sẽ thắng lợi. Lợi dụng điều này, tổng thống Ngô Đình Diệm đã thực hiện nhiều cuộc đàn áp những người Cộng sản miền Nam. Khi thời hạn 1956 đã đến, cuộc tổng tuyển cử thống nhất vẫn không diễn ra, các lãnh đạo Cộng sản ở tỉnh Tây Ninh quyết định sẽ ám sát tổng thống Diệm để loại trừ một kẻ thù cầm đầu đang thực hiện những cuộc tàn sát đồng đội và người dân của mình.

Người được giao nhiệm vụ này chính là Mười Thương. Tháng 10 năm 1956, ông được giao nhiệm vụ tổ chức ám sát tổng thống Diệm khi lên Tây Ninh nhưng do tổ chức không nắm chính xác ngày kinh lý lên nên không thực hiện được. Cũng trong năm đó, ông lại chủ động đề xuất cho thực hiện công việc này vào đêm Noel 1956 tại Nhà thờ Đức Bà Sài Gòn nhưng lại một lần nữa kế hoạch bất thành do lịch trình của tổng thống Diệm đột ngột thay đổi, chuyển sang đi dự lễ Noel ở khu trù mật Đức Huệ.

Tháng 2 năm 1957, khi báo chí ở Sài Gòn đưa tin "Hội chợ kinh tế Cao Nguyên" sẽ được tổ chức ở Ban Mê Thuột vào ngày 22 tháng 2 năm 1957. Nhận định tổng thống Ngô Đình Diệm sẽ có nhiều khả năng đến dự và cắt băng khai mạc, Mười Thương cùng các đồng đội vạch ra một kế hoạch tỉ mỉ cho việc ám sát Ngô Đình Diệm.

Với giấy thông hành mang tên Hà Minh Trí, một thương gia Tây Ninh lên dự Hội chợ, ông cùng một số đồng đội lên thực địa điều tra và nắm tình hình. Một điểm thuận lợi khi một khu vực bảo vệ vòng ngoài của hội chợ được giao cho Trung đoàn 60 Việt Nam Cộng hòa bảo vệ, vốn có nhiều binh sĩ Cao Đài được sáp nhập vào. Chính từ những cơ sở này, mà ông nhận được vũ khí vào tận trong hội chợ. Đó là một khẩu súng trường bán tự động được cưa ngắn báng và nòng súng để có thể dễ dàng dấu trong áo khoác. Ông chủ trương không dùng lựu đạn để tránh sát thương những người xung quanh.

Sáng ngày 22 tháng 2, hội chợ Tây Nguyên khai mạc. Đoàn đại biểu Chính phủ Sài Gòn do tổng thống Ngô Đình Diệm dẫn đầu đến dự khai mạc trong sự bảo vệ của cảnh sát. Tuy nhiên, lúc này Hà Minh Trí trong bộ trang phục cải trang đã tiến gần hàng rào bảo vệ, chỉ cách vị trí tổng thống Diệm đứng chưa đầy 20 mét. Khi tất cả chuẩn bị chào cờ, ông nổ súng vào mục tiêu đã định.

Tuy nhiên, súng chỉ nổ 2 phát thì bị hóc. Do bị cưa nòng và báng súng nên độ chính xác của súng bị giảm đi rất nhiều, vì vậy đạn không đi đúng mục tiêu và bắn trúng vào Bộ trưởng Cải cách Điền địa Đỗ Văn Công. Hà Minh Trí nhanh chóng bị lực lượng an ninh bắt giữ.