Trong những năm 1962 - 1963, phong trào Đồng khởi lan rộng. Biết trước sau gì tổng thống Ngô Đình Diệm cũng bị người Mỹ lật đổ để dựng lên một chính quyền nguy hiểm hơn, Phạm Ngọc Thảo cùng với Trần Kim Tuyến và giáo sư Huỳnh Văn Lang lên một kế hoạch đảo chính với mục tiêu đổi chế độ nhằm vô hiệu hóa ý đồ của người Mỹ.

Lần thứ nhất

Tháng 09 năm 1963, Trần Kim Tuyến nguyên Giám đốc Sở Nghiên cứu chính trị (thực chất là trùm mật vụ) và Phạm Ngọc Thảo âm mưu một cuộc đảo chính. Theo kế hoạch này, lực lượng đảo chính sẽ vẫn giữ Ngô Đình Diệm làm tổng thống, chỉ buộc Ngô Đình Nhu ra nước ngoài. Tuy nhiên, kế hoạch bị lộ. Để chấm dứt âm mưu đảo chính này, ngày 06/09/1963, Tổng thống Diệm đã cử Trần Kim Tuyến đi làm Tổng lãnh sự tại Ai Cập. Ngô Đình Nhu không tin Phạm Ngọc Thảo tham gia kế hoạch này, thứ nhất là ông Nhu không tin Thảo phản bội, thứ hai là Thảo “không có quân”. Thực ra lúc đó Phạm Ngọc Thảo đã kêu gọi được một số đơn vị như Quân đoàn 3, Quân đoàn 4, Biệt động quân, Bảo an,... hậu thuẫn. Cuộc đảo chính không thành chủ yếu do thành phần đảo chính không phải là những người mà người Mỹ có thể nắm được.

Ngày 01 tháng 11 năm 1963, chính quyền Ngô Đình Diệm bị lật đổ bởi một nhóm tướng lĩnh do Mỹ bật đèn xanh. Hội đồng Quân nhân Cách mạng do tướng Dương Văn Minh đứng đầu lên cầm quyền. Phạm Ngọc Thảo dù không chủ động tham gia cuộc đảo chính này nhưng vẫn được lên chức đại tá, làm tùy viên báo chí trong Hội đồng Quân nhân Cách mạng sau đó được cử sang Mỹ tu nghiệp. Một thời gian sau, ông được cử làm tùy viên văn hóa của Tòa đại sứ Việt Nam tại Mỹ.[6] Sau đó ông được tướng Nguyễn Khánh mời làm phát ngôn viên báo chí trong “Hội đồng quân nhân Cách mạng”.

Tháng 10 năm 1964, khi Trần Thiện Khiêm được bổ nhiệm làm Đại sứ Việt Nam Cộng Hòa tại Mỹ, ông được cử làm tùy viên báo chí và quân sự của Sứ quán Việt Nam Cộng Hòa.[5] Ông đưa luôn vợ con sang (họ định cư ở Mỹ cho đến ngày nay).[6]

Lần thứ hai

Đầu năm 1965, Phạm Ngọc Thảo bị gọi về nước vì chính quyền Sài Gòn đã nghi ngờ, muốn bắt ông. Nguyễn Khánh ra lệnh triệu hồi Phạm Ngọc Thảo về nước, với ý đồ sẽ bắt ông tại sân bay Tân Sơn Nhất. Phạm Ngọc Thảo đã khôn khéo không về đúng giờ bay dự định nên thoát.[6]

Vì vậy, ông đã đào nhiệm và bí mật liên lạc với các lực lượng đối lập khác để tổ chức đảo chính ở Sài Gòn vì một lý do vô cùng quan trọng. Theo một tài liệu mà ông nắm được, Mỹ và Nguyễn Khánh đã thỏa thuận sẽ ném bom xuống miền Bắc vào 20/2/1965, vì vậy cuộc đảo chính sẽ tiến hành đúng ngày 19 tháng 2 với tên gọi Chiến dịch Nguyễn Huệ[5]

Ngày 19 tháng 2 năm 1965, Phạm Ngọc Thảo cùng thiếu tướng Lâm Văn Phát, đại tá Bùi Dzinh và trung tá Lê Hoàng Thao đem quân (gồm các đơn vị thiết giáp với 45 xe tăng và thiết giáp, các đơn vị địa phương quân, lực lượng của Trường bộ binh Thủ Đức và chủ lực là trung đoàn 46 thuộc Sư đoàn 25 bộ binh)[6] và xe tăng vào chiếm trại Lê Văn Duyệt, đài phát thanh Sài Gòn, bến Bạch Đằng và sân bay Tân Sơn Nhất. Tướng Nguyễn Khánh được Nguyễn Cao Kỳ cứu thoát bằng máy bay ra Vũng Tàu[6]. Mục tiêu quan trọng hàng đầu là bắt sống Nguyễn Khánh đã không thực hiện được. Trong tờ Việt Tiến (in ronéo, phát bí mật) với bút hiệu Lê Minh, đại tá Phạm Ngọc Thảo đã viết: “Chúng tôi vì không muốn đổ máu mà hơn nữa ngay từ phút đầu đã thấy có sự chia rẽ và tranh giành nhau, nên tôi đã cho lệnh chấm dứt cuộc chính biến vào lúc 20 giờ ngày 19 tháng 2 và coi như 20 giờ làm chủ thủ đô đã chấm dứt”.[5]

Ngày 20 tháng 2 năm 1965, Nguyễn Văn Thiệu, Nguyễn Cao Kỳ và một số tướng lãnh được sự hậu thuẫn của người Mỹ đã tổ chức hội đồng các tướng lĩnh họp ở Biên Hòa. Các tướng cử Nguyễn Chánh Thi làm chỉ huy chống đảo chính và ra lệnh cho Phạm Ngọc Thảo, Lâm Văn Phát và 13 sĩ quan khác phải ra trình diện trong 24 giờ. Phạm Ngọc Thảo, Lâm Văn Phát, Lê Hoàng Thao (Trung đoàn trưởng Trung đoàn 46) bỏ trốn.[6]

Ngày 21 tháng 2 năm 1965, các tướng tiếp tục họp tại Biên Hòa, quyết định giải nhiệm Nguyễn Khánh cử tướng Trần Văn Minh làm Tổng Tư lệnh Quân lực Việt Nam Cộng Hòa.

Ngày 22 tháng 2 năm 1965, Quốc trưởng Phan Khắc Sửu ký sắc lệnh bổ nhiệm tướng Nguyễn Khánh làm Đại sứ lưu động (một hình thức trục xuất khỏi nước cho đi lưu vong).

Ngày 25 tháng 2 năm 1965, Nguyễn Khánh rời khỏi Việt Nam.