Ngày 18 tháng 3, 1970, trong lúc ông đang ở nước ngoài, Lon Nol - thủ tướng chính phủ - cho quân đội bắt giữ chính quyền dân sự ở Phnompenh và bố trí xe tăng bao vây toà nhà Quốc hội sau đó triệu tập Quốc hội bỏ phiếu phế truất Sihanouk khỏi vị trí Quốc trưởng và trao quyền lực khẩn cấp cho Lon Nol. Việc đàn áp đối lập và các chính sách kinh tế sai lầm của Sihanouk, cũng như thái độ xích lại gần Việt Nam và Trung Quốc của ông cùng với áp lực của Lon Nol khiến Quốc hội bỏ phiếu bãi nhiệm ông.[1] Sihanouk gọi đây là âm mưu đảo chính của CIA và buộc phải đi an dưỡng ở biệt thự riêng của gia đình ông tại Riviera một thời gian[1].

Hoàng thân Sirik Matak – người được chính phủ Pháp loại bỏ để trao ngôi vị cho Sihanouk - đã được giao chức Phó Thủ tướng. Sau khi mất quyền lực, Hoàng thân Sihanouk đến Bắc Kinh và bắt đầu ủng hộ Khmer Đỏ trong cuộc chiến lật đổ chính phủ Lon Nol ở Phnom Penh. Sihanouk đã đến nhiều nước trên thế giới để kêu gọi sự ủng hộ cho Khmer Đỏ. Khi nước Cộng hòa Khmer rơi vào tay Khmer Đỏ vào năm 1975, Hoàng thân Sihanouk trở thành nguyên thủ quốc gia hình thức của chính phủ mới khi Pol Pot còn nắm quyền lực. Ngày 4 tháng 4 năm 1976, Sihanouk từ chức vì sự tàn bạo của Khmer đỏ và nghỉ hưu. Sihanouk sang tị nạn tại Trung Quốc và Bắc Triều Tiên. Việc Sihanouk đứng đầu Khmer Đỏ trong suốt 6 năm từ 1971 đến 1976 là điều mà giới trí thức Campuchia không bao giờ quên được[1].

Năm 1978, quân đội Việt Nam sang lãnh thổ Campuchia đánh đổ Khmer Đỏ. Tháng 1/1979, Sihanouk tiếp tục tới Liên Hiệp Quốc ở New York để vận động cho Khmer Đỏ và kêu gọi Liên Hiệp Quốc gửi quân đến Campuchia tấn công quân Việt Nam[1].

Năm 1982, ông trở thành Chủ tịch Chính phủ Liên hiệp Campuchia Dân chủ bao gồm: Đảng Funcinpec của mình, Mặt trận giải phóng Campuchia của Son Sann và Khmer Đỏ. Quân Việt Nam rút khỏi Campuchia năm 1989, để lại chính phủ thân Việt Nam của Thủ tướng Hun Sen lãnh đạo Nước cộng hòa Nhân dân Campuchia.