Sau khi bị lật đổ bởi các tướng lĩnh dưới quyền ngày 1 tháng 11 năm 1963, Ngô Đình Diệm cùng em trai - cố vấn Ngô Đình Nhu lánh nạn tại nhà thờ Cha Tam. Lúc 7 giờ sáng ngày 2/11/1963, Ngô Đình Diệm gọi điện thoại cho Đại sứ Mỹ là Cabot Lodge để cầu cứu trước, nhưng Lodge đã “bỏ máy xuống và đi tìm cái gì đó”. Khi trợ lý của Lodge là Mike Dunn đề nghị Lodge cho người đến đó để giải cứu, Lodge ngăn lại: “Chúng ta không thể dính líu như vậy được”.

Thi thể Ngô Đình Diệm ở phía sau của chiếc xe thiết giáp M113

Sáng hôm đó, Ngô Đình Diệm cùng với Ngô Đình Nhu gọi điện và ra hàng lực lượng đảo chính. Hai anh em Ngô Đình Diệm và Ngô Đình Nhu bị đại úy Nguyễn Văn Nhung giết bằng lưỡi lê và súng lục trong chiếc xe bọc thép M-113, theo lệnh của tướng Dương Văn Minh, khi chiếc xe đang trên đường tới Bộ Tổng tham mưu Quân lực Việt Nam Cộng hòa.[171][172] Theo chứng nhận của bác sĩ Huỳnh Văn Hưỡn, là người đã tiến hành vụ khám nghiệm thì anh em Ngô Đình Diệm - Ngô Đình Nhu bị bắn từ sau gáy ra phía trước. Thi thể Ngô Đình Diệm có nhiều vết bầm, chứng tỏ đã bị hành hung trước khi bị bắn. Còn thi thể Ngô Đình Nhu thì bị đâm nhiều nhát, áo rách nát và đầy máu.

Sau khi đảo chính xảy ra ở Sài Gòn, anh trai Ngô Đình Diệm là Ngô Đình Cẩn xin tỵ nạn ở tòa lãnh sự Mỹ ở Huế. Sau đó, Mỹ đưa Cẩn vào Sài Gòn. Nhưng khi tới Sài Gòn thì Ngô Đình Cẩn được giao lại cho Lou Conein và sau đó được giao cho những người lãnh đạo đảo chính theo lệnh của Đại sứ Lodge. Mấy tháng sau, Cẩn bị xử tử tại Sài Gòn (ngày 9/5/1964). Như vậy, cả ba anh em Ngô Đình Diệm đều bị giết, đại sứ Mỹ Cabot Lodge đã làm ngơ hoặc gián tiếp giao họ cho quân đảo chính giết chết.

Sau khi biết tin Ngô Đình Diệm bị lật đổ và ám sát, phát biểu của Hồ Chí Minh được thuật lại như sau "Tôi không thể nào tin người Mỹ lại ngu ngốc đến vậy"[173] Bộ Chính trị Đảng Lao động Việt Nam nói rõ hơn:

"Hậu quả của cuộc đảo chính ngày 1 tháng 11 sẽ trái với những tính toán của đế quốc Mỹ... Diệm là một trong số những nhân vật mạnh nhất chống lại nhân dân và Chủ nghĩa cộng sản. Tất cả những gì có thể làm nhằm cố gắng đè bẹp cách mạng đã được Diệm thực hiện. Diệm là một trong những tay sai có tài nhất của đế quốc Mỹ  ... Trong số những người chống cộng ở miền Nam Việt Nam hoặc đang lưu vong ở nước ngoài, không ai có đủ tài lực chính trị và khả năng làm người khác tuân phục. Do đó, chính quyền tay sai sẽ không thể vững bền. Cuộc đảo chính ngày 1 tháng 11 năm 1963 sẽ không phải là cuộc đảo chính cuối cùng."[173]

Khi biết Tổng thống Ngô Đình Diệm đã bị đảo chính và giết chết, Tổng thống Mỹ John F. Kennedy bị choáng váng và ưu tư thoáng buồn.[174] 4 giờ chiều ngày 2 tháng 11 năm 1963, khi được thông báo anh em Ngô Đình Diệm - Ngô Đình Nhu đã bị giết, Đại sứ Hoa Kỳ Cabot Lodge, đã vui vẻ thốt lên bằng tiếng Pháp: "C’est formidable! C’est formidable!" (Thật là tuyệt diệu. Thật là tuyệt diệu).[175]

Các cơ quan do Ngô Đình Diệm lập ra như Đảng Cần Lao, Sở Nghiên cứu Chính trị Xã hội, Lực lượng Đặc biệt, 4 cơ quan Mật vụ Công an, Phong trào Cách mạng Quốc gia, Thanh Niên Cộng hòa, Phụ nữ Liên đới, các xóm Đạo võ trang,… tất cả đều tê liệt rồi tan rã không một phản ứng. Cả cấu trúc chính trị mà họ Ngô xây dựng trong 9 năm đã sụp đổ chỉ trong 24 tiếng đồng hồ, tất cả đều bỏ mặc gia đình họ Ngô bị giết.

Nhà sử học Nguyễn Hiến Lê, khi đó đang sống ở Sài Gòn, đã ghi lại không khí vui mừng của người dân ở thời điểm đó[176]:

Từ 7 giờ sáng ngày 2 tháng 11 năm 1963, khi đài phát thanh Sài Gòn báo tin dinh Gia Long bị quân đội chiếm thì già trẻ lớn bé lũ lượt kéo nhau đi xem. Lời hò reo, tiếng cười vang với sắc diện tươi vui của mọi người chứng tỏ sự giải thoát gông cùm kềm kẹp của độc tài đã bóp nghẹt lòng dân trong chín năm trời đăng đẳng” - Bác sĩ Dương Tấn Tươi. Còn thi sĩ Đông Hồ thì: “Nỗi ức hiếp, nỗi căm hờn bị đè nén, bị vùi dập một cách tàn nhẫn bất công trong 9 năm trời, một sớm được giải thoát, được cởi mở, mà phản ứng chỉ có chứng ấy thì cho thấy quần chúng Việt Nam năm 1963 này cũng đã tỏ ra hiền lành nhiều lắm, và cũng đã biết tự kiềm hãm sức giận dữ hung hãn của mình rồi đó.”

Nhà báo đương thời tại miền Nam, ông Vũ Bằng ghi lại không khí của người dân miền Nam lúc đó khi nghe tin vụ đảo chính và việc anh em Ngô Đình Diệm - Ngô Đình Nhu bị giết:[177]

“

Lúc ấy, tôi đang làm cho tờ “Dân Chúng”. Tôi còn nhớ bầu không khí nẩy lửa đó, ai cũng hăng say muốn thấy Ngô Đình Diệm và bộ sậu, bị chết đâm chết chém… có một điều chắc chắn là tình thế lúc đó đã chín mùi và dân chúng đã thấy cách gì cũng phải hạ ngay Ngô Đình Diệm. Người ta muốn biết ai đã giết Diệm - Nhu, nhưng không ai biết đích xác; dù sao Diệm - Nhu chết đi thì đại đa số dân chúng cũng mừng. Có người mổ heo cúng tế; có người lập bàn thờ cảm tạ trời đất; còn thì hầu hết nhà nào cũng làm tiệc, rủ bè bạn, thân thích đến để nhậu nhẹt cho “phỉ chí tang bồng”.

”

Một sỹ quan đảo chính tươi cười chụp ảnh bên xác Ngô Đình Diệm

Cái chết của anh em Ngô Đình Diệm cũng khiến cho các lãnh đạo Á Châu là đồng minh của Mỹ phải cảm thấy lo ngại cho mình. Về sau, Tổng thống (Pakistan), Ayub Khan, đã nói với Tổng thống Hoa Kỳ Richard Nixon:

“	Cuộc thảm sát gia đình Ngô Đình Diệm đã khiến các lãnh tụ Á Châu chúng tôi rút ra được một bài học khá chua chát: Làm đồng minh với Mỹ thật nguy hiểm! Có lợi hơn nên đứng thế trung lập. Và có lẽ hữu ích hơn nữa là nên làm kẻ thù của Hoa Kỳ.	”
— Tổng thống Ayub Khan[178]

Tài liệu của phía Hoa Kỳ cho biết Ngô Đình Diệm và Ngô Đình Nhu được chôn trong những ngôi mộ không tên trong một nghĩa trang bên cạnh ngôi nhà của đại sứ Hoa Kỳ.[179] Sau này tìm hiểu, thì ông Ngô Đình Diệm và ông Ngô Đình Nhu được chôn ở nghĩa trang Mạc Đĩnh Chi (vị trí ở đường Điện Biên Phủ cắt với đường Hai Bà Trưng, ngày nay là Công viên Lê Văn Tám). Áo quan của Ngô Đình Diệm hình hộp, áo quan của Ngô Đình Nhu có nắp tròn. Một nhân chứng thời kỳ này giải thích vì người thân của hai ông đi mua vội quan tài nên chỉ mua được một chiếc hạng tốt dành cho ông Ngô Đình Diệm, còn chiếc hạng vừa dành cho ông Ngô Đình Nhu. Trong khoảng thập niên 1980, do nhu cầu phát triển đô thị trong nội đô Sài Gòn, nghĩa trang Mạc Đĩnh Chi được di dời về nghĩa trang Lái Thiêu (Nghĩa trang Nhân dân số 6B) ngày nay. Hiện tại, mộ ông Ngô Đình Diệm và ông Ngô Đình Nhu chính thức đặt tại nghĩa trang Lái Thiêu.[180] Mộ hai ông nằm hai bên mộ mẹ - bà Phạm Thị Thân. Ngoài ra, mộ ông Ngô Đình Cẩn cũng được dời về gần đó. Mộ hai ông ban đầu không có tên mà chỉ ghi tên thánh và "Huynh" (chỉ ông Ngô Đình Diệm) hoặc "Đệ" (ông Ngô Đình Nhu), sau đó, theo đề nghị của một số người, mộ đã được đề đích danh.[181]