Sau khi bị đưa về Sài Gòn, ngày 27 tháng 5 năm 1966, qua những hoạt động trung gian của Ðại sứ Lodge và tướng William Westmoreland, tướng Kỳ đã gặp tướng Thi để bàn về số phận tướng Thi và tướng Ðính. Tướng Kỳ đã đồng ý không đưa 2 tướng ra xét xử ở tòa án binh với tội danh phản loạn, với sự bảo đảm của người Mỹ sẽ chu đáo và giúp ông ổn định đời sống của gia đình ông trên đất Mỹ. Ngày 14 tháng 7 năm 1966, hai tướng Thi - Đính bị Hội đồng Tướng lĩnh đưa ra kỷ luật với quyết định loại ngũ vĩnh viễn cả hai tướng ra khỏi quân đội và đồng thời buộc tướng Nguyễn Chánh Thi lưu vong ra nước ngoài.

Ngày 29 tháng 7 năm 1966, phát ngôn của chính phủ tuyên bố tướng Nguyễn Chánh Thi sẽ rời Việt Nam sang Mỹ để "chữa bệnh". Ngày 31 tháng 7, ông lên đường qua Mỹ chữa bệnh "thối mũi". Trước khi đi, ông ném tất cả huân chương đã được tặng, chỉ giữ cái mền như là kỷ niệm cuối cùng của cuộc đời quân ngũ.

Tại Mỹ, lúc đầu tướng Thi được nhận trợ cấp một tháng 600 USD theo chế độ của một trung tướng hồi hưu. Việc này bị tướng Kỳ chỉ trích quyết liệt với lý do tướng Thi đã bị loại ngũ. Vì vậy, trợ cấp của tướng Thi bị giảm xuống chỉ còn 170 USD một tháng.

Theo bài viết của báo New York Times, trong những năm sống lưu vong tại Hoa Kỳ, tướng Thi đã từng làm nhiều nghề, như bảo vệ cho một khách sạn nhỏ tại Los Angeles, và mở một tiệm cà phê ở Arkansas.

Tháng 2 năm 1972, sau 6 năm sống ở đất Hoa Kỳ, Nguyễn Chánh Thi đã mua một suất vé như một hành khách dân sự để trở về quê hương Việt Nam. Tuy nhiên, tướng Nguyễn Văn Thiệu, khi đó đang là Tổng thống, đã ra lệnh không cho cựu tướng được đặt chân xuống phi trường Tân Sơn Nhất. Ông đành trở lại Hoa Kỳ mà không ngờ rằng đây là lần cuối cùng ông có thể nhìn lại quê hương Việt Nam.

Năm 1985, ông cho xuất bản hồi ký "Một trời tâm sự" kể về cuộc đời mình. Tuy có tham gia một số hoạt động xã hội của các cựu binh Việt Nam Cộng hòa tại Hoa Kỳ, nhưng ông từ chối tham gia tất cả các phong trào vận động vũ trang để chống lại chính phủ Việt Nam.

Sau hơn 40 năm tha hương, ông qua đời lúc 6 giờ 42 phút chiều thứ Bảy ngày 23 tháng 6 năm 2007 (giờ miền Đông Hoa Kỳ) tại Lancaster, Pennsylvania, thọ 85 tuổi.