Tháng 11 năm 1963 nổ ra cuộc đảo chính lật đổ Ngô Đình Diệm của Hội đồng Quân nhân Cách mạng do Dương Văn Minh đứng đầu.Đinh Văn Đệ được cử làm Thị trưởng Đà Lạt, sau kiêm Tỉnh trưởng Tuyên Đức, đến năm 1966 thì được thăng cấp đại tá và chuyển sang làm tỉnh trưởng Bình Thuận. Cuối năm 1967, Đinh Văn Đệ từ chức tỉnh trưởng, ứng cử vào Hạ viện, mặc dù bị Nguyễn Văn Thiệu tìm mọi cách đánh trượt, nhưng được sự hậu thuẫn của đông đảo cử tri, ông đã đắc cử ở Đà Lạt và trở thành Phó chủ tịch Hạ viện, Phó trưởng khối đối lập.