Sau vụ đảo chính lật đổ và sát hại anh em Ngô Đình Diệm ngày 1 tháng 11 năm 1963, Nguyễn Ngọc Thơ được Hội đồng quân nhân cách mạng (Dương Văn Minh là Chủ tịch) bổ nhiệm làm Thủ tướng. Ông là nhân vật dân sự dẫn đầu trong chính quyền lâm thời.[5] Ngoài ra, ông đã là Bộ trưởng Tài chính và Kinh tế.[6]

Về mặt cá nhân, ông không hài lòng việc Ngô Đình Diệm chủ trương bớt lệ thuộc vào Mỹ. Ông đã phàn nàn việc Ngô Đình Diệm quá trọng dụng người em trai là Ngô Đình Nhu, trong việc điều hành quốc gia và việc Nhu cố gắng kiểm soát toàn Nam Việt Nam thông qua Đảng Cần Lao bí mật của ông cũng như việc Việt Nam Cộng Hòa thiếu thành công trong việc đối phó với phe Cộng sản.[7] Cá nhân ông đã biết trước âm mưu đảo chính lật đổ chế độ Ngô Đình Diệm và ông đã được các tướng lĩnh phe đảo chính chọn làm người kế nhiệm chính phủ.[8] Ngày 28/2/1964, Nguyễn Khánh truất phế chính phủ Nguyễn Ngọc Thơ và lên làm thủ tướng. Sau đó, vì lý do sức khoẻ ông Nguyễn Ngọc Thơ không tham dự vào chính trường nữa. Ông mất năm 1976 tại Sài Gòn. [9]