Để chuẩn bị sĩ quan nòng cốt cho việc hình thành bộ máy của Bộ Tổng tham mưu Quân đội Quốc gia Việt Nam sắp được thành lập, theo thỏa thuận giữa chính phủ Pháp và Quốc gia Việt Nam, 4 sĩ quan người Việt có Quốc tịch Pháp, thuộc Lực lượng Liên hiệp Pháp được chuyển sang đặt thuộc quyền sử dụng của Bộ Quốc phòng Chính phủ Quốc gia Việt Nam. Bốn sĩ quan này gồm: Thiếu tá Trần văn Minh, Thiếu tá Lê Văn Kim, Đại úy Trần Văn Đôn và Đại úy Nguyễn Khánh. Tháng 5 năm 1950, cả bốn sĩ quan trên được cử sang Pháp theo học một khóa ngắn hạn tại Trường Cao đẳng Quốc phòng (École Supérieure de Geurre) tại Paris.

Đầu năm 1952, sau khi về nước, ông được chuyển ngạch sang Quân đội Quốc gia Việt Nam và được thăng cấp Thiếu tá. Tháng 5, ông được bổ nhiệm làm Chánh Sở An ninh Quân đội Quốc gia đầu tiên trực thuộc Bộ Tổng Tham mưu. Đến đầu tháng 7 ông được thăng cấp Trung tá tại nhiệm. Ngay sau đó, Sở An ninh Quân đội được đổi thành Nha Tác động Tinh thần (gồm cả An ninh Quân đội và Phòng 5), theo đó chức vụ Chánh Sở cũng được đổi thành Giám đốc Nha. Ngày 1 tháng 6 năm 1953 ông được thăng cấp Đại tá tại nhiệm. Cuối tháng 7, bàn giao chức vụ Giám đốc Nha Tác động tinh thần lại cho Đại tá Mai Hữu Xuân. Ngày 1 tháng 8, ông được cử giữ chức vụ Tham mưu trưởng Liên quân tại Bộ Tổng tham mưu thay thế Đại tá Trần Văn Minh.

Ảnh hưởng trong nền Đệ Nhất Cộng hòa

Sau khi người Pháp thảm bại trong trận Điện Biên Phủ, cựu Thượng thư Ngô Đình Diệm được Quốc trưởng Bảo Đại chỉ định làm Thủ tướng. Ông và nhiều bạn hữu của mình đã tích cực ủng hộ Thủ tướng Diệm, loại trừ các ảnh hưởng của những người thân Pháp trong Chính quyền, kể cả Quốc trưởng Bảo Đại và cấp trên của ông, tướng Nguyễn Văn Hinh Tổng Tham mưu trưởng. Ngày 30 tháng 4 năm 1955, để tưởng thưởng cho sự ủng hộ Chính phủ, ông được Thủ tướng Diệm thăng cấp Thiếu tướng. Ngày 30 tháng 6 ông được giao kiêm chức vụ Phụ tá Hải quân Tổng Tham mưu trưởng, nhưng chỉ 2 tháng sau bàn giao chức vụ này lại cho Thiếu tá Lê Quang Mỹ.