Khi Pháp tái chiếm Đông dương, từng bước xây dựng bộ máy chính quyền dân sư lâm thời đã trọng dụng ông. Là tín đồ Thiên chúa giáo, đồng thời mối quan hệ họ hàng với Giám mục Tađêô Lê Hữu Từ đã giúp ông nhiều trong chính trường.

Tháng 2 năm 1947, quân Pháp tái chiếm Huế. Ngày 15 tháng 4 năm 1947, dưới sự hỗ trợ của người Pháp, ông làm Chủ tịch Hội đồng Chấp chánh Lâm thời Trung Kỳ. Ông kêu gọi các nhân sĩ rời bỏ Việt Minh trở về cùng xây dựng tái thiết đất nước.

Trong thời gian đầu của cuộc chiến tranh Đông dương, tình hình rất phức tạp. Năm 1947, hai nhà chính trị theo chủ nghĩa dân tộc là Chủ tịch Hội đồng An dân Bắc phần Trương Đình Tri bị Việt Minh ám sát tại Hà nội, Chủ tịch Mặt trận Toàn dân thống nhất, cựu Khâm sai Nam Bộ Nguyễn Văn Sâm cũng bị giết tại Sài Gòn.

Để đảm bảo an ninh trật tự tại miền Trung ông cho thành lập Nha Cảnh sát và Công an Trung phần, thành lập lực lượng Bảo vệ quân làm nhiệm vụ giữ gìn an ninh. Ông cũng cho thành lập Nha Văn hóa Trung phần mời linh mục Cao Văn Luận làm Giám đốc.

Ông có tiếng là một vị quan nổi tiếng liêm chính, sống giản dị. Khi ông làm Chủ tịch Hội đồng Chấp chánh Lâm thời Trung Kỳ, người em ruột của ông là Trần Văn Trình, chủ sự phòng Nội dịch, ngày chủ nhật lấy xe công về sử dụng riêng bị ông cất chức ngay. Đối với các linh mục hay đến xin xỏ, nhờ cậy, ông thẳng thắn từ chối.

Đầu năm 1948, chính phủ Pháp ủng hộ Giải pháp Bảo Đại, hình thành một chính phủ Quốc gia Việt Nam trong tương lai. Tháng 3 năm 1948, ông từ chức Chủ tịch và Hội đồng Chấp chánh Lâm thời Trung Kỳ bị giải thể. Ngày 27 tháng 5 năm 1948, Chính phủ Trung ương lâm thời Việt Nam được thành lập với Thủ tướng lâm thời là tướng Nguyễn Văn Xuân. Dược sĩ Phan Văn Giáo được bổ nhiệm làm Thủ hiến Trung phần, giữ vai trò với quyền hạn rộng hơn ở miền Trung. Tuy nhiên, năm 1951, Thủ tướng Trần Văn Hữu bổ nhiệm ông thay ông Phan Văn Giáo làm Thủ hiến Trung phần. Đến năm 1952, ông Trần Văn Hữu nghỉ, vì là bạn ông Hữu nên ông cũng bị thôi chức Thủ hiến.