Tháng 2 năm 1647, Cromwell bị ốm và ông phải xa đời sống chính trị hơn một tháng. Vào lúc ông hồi phục, những thành viên nghị viện đang bị chia rẽ vì vấn đề liên quan đến nhà vua. Phần lớn các thành viên ở cả hai viện hướng tới một giải pháp làm hài lòng quân đội liên minh Scotland, giải tán quân đội mới và khôi phục ngai vàng cho Charles I đổi lấy việc giành một vùng đất riêng cho giáo hội Scotland. Cromwell phản đối hệ thống giáo hội của những người Scotland mà ông cho rằng sẽ thay thế chế độ quân chủ bằng một hình thức chuyên chế khác. Quân đội mới, bị chọc giận vì không được nghị viện trả khoản tiền lương mà họ còn nợ, kiến nghị chống lại những thay đổi này, nhưng Hạ viện đã bác bỏ kiến nghị đó. Tháng 5 năm 1647, Cromwell được cử tới tổng hành dinh quân đội ở Saffron Walden để thương lượng, nhưng hai bên không đạt được thỏa thuận. Tháng 6 năm 1647, một toán kỵ binh do Cornet George Joyce chỉ huy cướp lấy nhà vua khỏi sự giam giữ của nghị viện. Dù Cromwell có gặp Joyce vào ngày 31 tháng 5, nhưng cứ liệu lịch sử chưa đủ để khẳng định ông có vai trò như thế nào trong sự kiện đó.[24]

Cromwell và Henry Ireton sau đó soạn thảo một bản tuyên ngôn Heads of Proposals đề xuất kiểm tra quyền lực của nhánh hành pháp, thiết lập nên những định chế dân cử mới và phục hồi thể chế quản lý không bắt buộc với nhà thờ.[25] Rất nhiều tướng lĩnh quân đội, như những người theo phong trào Levellers do John Lilburne đứng đầu, cho rằng như thế là chưa đủ để mang tới sự bình đẳng về chính trị cho tất cả mọi người, dẫn đến mâu thuẫn gay gắt ở Putney trong mùa thu năm 1647 giữa một bên là Cromwell, Ireton và bên kia là quân đội. Vụ mâu thuẫn Putney đã không đi tới giải pháp nào.[26] Cuộc tranh luận đó, cùng với việc Charles I trốn thoát khỏi Hampton Court ngày 12 tháng 11, đã khiến Cromwell có thái độ cứng rắn hơn đối với nhà vua.

Thất bại trong việc đạt được một thỏa thuận chính trị với nhà vua đã dẫn đến cuộc nội chiến Anh lần thứ hai vào năm 1648 khi nhà vua tìm cách trở lại ngai vàng bằng vũ lực. Cromwell đánh bại một cuộc nổi dậy của quân bảo hoàng ở miền nam xứ Wales rồi sau đó hành quân lên miền bắc đối phó với lực lượng Scotland có khuynh hướng bảo hoàng. Trong trận Preston, Cromwell, lần đầu tiên nắm toàn quyền chỉ huy tối cao quân đội, đã dẫn đầu một đội quân 9.000 người giành một chiến thắng vẻ vang trước quân địch có quân số đông gấp đôi.[27]

Tháng 12 năm 1648, nhóm các nghị viên muốn tiếp tục thương lượng với nhà vua bị khai trừ khỏi nghị viện do sức ép từ nhóm lính vũ trang dưới sự chỉ huy của đại tá Thomas Pride, tức sự kiện Pride’s Purge. Những nghị viên còn lại, được biết tới với tên gọi Nghị viện Rump, nhất trí rằng Charles I sẽ bị xét xử dựa trên cáo buộc tội phản quốc. Cromwell lúc bấy giờ vẫn còn ở miền bắc nước Anh để đối phó với sự chống cự của quân đội bảo hoàng. Tuy nhiên, sau khi ông trở lại London, vào ngày diễn ra sự kiện Pride’s Purge, Cromwell nhanh chóng trở thành một người ủng hộ cương quyết những ai muốn đem nhà vua ra xét xử và tuyên án tử hình. Cromwell tin rằng giết Charles I sẽ là cách duy nhất chấm dứt cuộc nội chiến. Lệnh tử hình nhà vua được ký bởi 59 thành viên chủ tọa phiên tòa xét xử, bao gồm Cromwell (là người thứ ba ký vào bản án). Charles I bị tử hình ngày 30 tháng 1 năm 1649.