Tháng 11 năm 1963, Hoa kỳ bật đèn xanh cho tướng Dương Văn Minh đảo chính lật đổ chính phủ của Tổng thống Ngô Đình Diệm. Ngày 1 tháng 11 năm 1963, tướng Dương Văn Minh cùng một số tướng lĩnh khác đảo chính lật đổ chính phủ của Tổng thống Ngô Đình Diệm, Tổng thống và cố vấn Ngô Đình Nhu bị giết. Ngày 2 tháng 11 năm 1963, Ngô Đình Cẩn mời tướng Đỗ Cao Trí ra Huế gặp ông nhưng vị tướng này ra lệnh cho quân đội bao vây nhà Ngô Đình Cẩn. Lợi dụng sự sơ hở của lính gác, cháu trai Ngô Đình Cẩn là linh mục Nguyễn Văn Thuận đưa ông này chạy vào ẩn náu trong nhà thờ Dòng Chúa Cứu Thế.[6]

Chiều ngày 3 tháng 11 năm 1963, tướng Đỗ Cao Trí ra Huế và đi thẳng đến nhà thờ dòng Chúa Cứu Thế gặp Ngô Đình Cẩn. Theo tư liệu và hồi ức của Trịnh Quốc Thiên và Nguyễn Văn Minh tướng Trí nói với Ngô Đình Cẩn rằng Hội đồng Quân nhân Cách mạng ủy nhiệm ông này đến thông báo rằng cái chết của Tổng thống Ngô Đình Diệm và Cố vấn Ngô Đình Nhu là tai nạn ngoài ý muốn của các tướng lãnh đồng thời chuyển lời của Hội đồng Quân nhân Cách mạng mời Ngô Đình Cẩn tham gia Hội đồng.[6] Tướng Đỗ Cao Trí cũng thông báo với Ngô Đình Cẩn rằng Hội đồng Quân nhân Cách mạng sẽ tịch thu tài sản của ông này và đề nghị giữ giùm tài sản của Ngô Đình Cẩn. Ngô Đình Cẩn đã trao 24 kg vàng cho tướng Đỗ Cao Trí cùng một số đồ quý giá và tiền mặt.[6]

Sau đó linh mục Nguyễn Văn Thuận và các linh mục dòng Chúa Cứu Thế đến Tòa lãnh sự Mỹ tại Huế xin cho ông Ngô Đình Cẩn tỵ nạn chính trị. Lãnh sự Mỹ John Helble gọi điện vào Sài Gòn xin ý kiến Tòa Đại sứ và Bộ Ngoại giao Mỹ. Tòa đại sứ Mỹ chấp thuận. Trong lúc chưa cứu xét về trường hợp tỵ nạn của Ngô Đình Cẩn xong, ông lại đòi Mỹ cho phép mẹ là bà Phạm Thị Thân cùng tỵ nạn với ông. Bộ Ngoại giao Mỹ phải ra chỉ thị cho Lãnh sự quán của họ ở Huế hủy bỏ quyết định cho phép Ngô Đình Cẩn tỵ nạn tại Mỹ.[6]

Khi biết tin Ngô Đình Cẩn đang tỵ nạn tại Lãnh sự quán Hoa Kỳ, tướng Đỗ Cao Trí đến Tòa lãnh sự Mỹ cảnh báo cơ quan này đừng chứa chấp ông Cẩn vì dân chúng Huế sẽ tràn vào phá Tòa lãnh sự và hành hung ông Cẩn thì không có lực lượng nào giữ được an ninh. Tòa lãnh sự Mỹ quyết định trao trả Ngô Đình Cẩn cho chính quyền Việt Nam Cộng hòa.[6] Sáng ngày 5 tháng 11 năm 1963, tướng Đỗ Cao Trí cùng với một sĩ quan Mỹ và sĩ quan Việt Nam Cộng hòa đưa Ngô Đình Cẩn và mẹ ông này lên máy bay đi Sài Gòn theo lệnh của Hội đồng Quân nhân Cách mạng.[6] Ngô Đình Cẩn bị giam tại khám Chí Hòa. Trong thời gian bị biệt giam tại đây, sức khỏe của ông giảm sút trầm trọng đến nỗi không đi được.

Ngô Đình Cẩn được nhốt trong khám Chí Hòa cho đến ngày 20-04-1964. Vào ngày này, Ngô Đình Cẩn phải ra toà án. Ngồi ghế chánh án là Đại tá Đặng Văn Quang. Luật sư bào chữa cho ông Cẩn là Võ Văn Quan. Đại tá Đặng Văn Quang vốn là con đỡ đầu của thân mẫu đức cha Nguyễn Văn Thuận/chị ruột ông Cẩn. Nhân chứng tố cáo ông Cẩn là bà vợ của ông Nguyễn Đắc Phương. Ông Phương bị người của ông Cẩn xô té từ trên lầu cao trước đây. Toà tuyên án tử hình ông Cẩn với đủ thứ tội như: tội thủ tiêu người ở Chín Hầm, tổ chức ám sát, bắt người vô cớ, buôn thuốc phiện, và làm thiệt hại kinh tế quốc gia. Trước toà, ông Cẩn nói: "Tôi quân sự không biết, hành chánh không biết, học tầm thường thì làm sao ra lệnh cho ai được?".

Bốn ngày sau khi tuyên án, ông Cẩn đệ đơn xin ân xá. Đơn xin ân xá của Ngô Đình Cẩn đã được chuyển đến tướng Dương Văn Minh là Quốc trưởng. Rồi Tổng giám mục Nguyễn Văn Bình cũng gửi một lá thư tới Dương Văn Minh xin ân xá cho tử tội Ngô Đình Cẩn với lý do là Cẩn đang bị bệnh rất nặng, ngày sống chỉ đếm được trên đầu ngón tay cho nên không cần thiết phải hành quyết Cẩn. Nhưng tất cả đều bị Dương Văn Minh bác thẳng thừng.

Trước làn sóng phản đối việc kết án tử hình Ngô Đình Cẩn ngày càng lan rộng trong giáo dân, chính quyền Dương Văn Minh - Nguyễn Khánh quyết thi hành án sớm.