Kể từ sau cuộc đảo chính Ngô Đình Diệm, Ba Đệ bắt đầu được Mỹ để ý. Tuy nhiên, đây cũng là thời điểm mà trong con người ông bắt đầu có sự chuyển biến tư tưởng mạnh mẽ. Cuộc đấu tranh giằng xé giữa một bên là lý tưởng quốc gia và bên kia là những người anh em ruột thịt trong hàng ngũ cách mạng (ông có người em trai là Đinh Văn Huệ - sĩ quan tình báo, sau này là Đại tá - Cụm trưởng cụm điệp báo VĐ2).Cuối năm 1967, khi đang là dân biểu Hạ nghị viện, Phó trưởng khối đối lập, Phó Chủ tịch Hạ viện Sài Gòn thì cuộc đời Đinh Văn Đệ trải qua một bước ngoặt lớn. Thông qua sự giác ngộ và bảo lãnh của ông chú, Ba Đệ được em dâu (vợ Đinh Văn Huệ) móc nối và trở thành cơ sở nội tuyến của mạng lưới tình báo thuộc Đoàn 22-Bộ chỉ huy Miền Nam. Ông được đặc cách phong hàm thượng úy Quân giải phóng miền Nam. Tổ chức yêu cầu Ba Đệ phải bằng mọi cách nắm cho được chức Chủ tịch Ủy ban Quốc phòng của Hạ viện. Đây là một nhiệm vụ nặng nề bởi Ba Đệ vốn là người của phe đối lập, là "cái gai" trong con mắt của cả hai đời Tổng thống Diệm và Thiệu. Để đạt được mục đích "trèo cao, chui sâu", lấy được lòng người Mỹ lẫn tổng thống Nguyễn Văn Thiệu, Ba Đệ buộc phải thoát ly khỏi phe đối lập và bề ngoài tỏ ra là một người hăng hái chống Cộng. Rồi từ chỗ đối lập với Thiệu, Ba Đệ ngả dần sang phái thân chính quyền. Liên tục trong hai khóa Quốc hội trên danh nghĩa Phó Chủ tịch rồi Chủ tịch Ủy ban Quốc phòng Hạ viện Sài Gòn, Đinh Văn Đệ đã cung cấp cho mạng lưới cách mạng nhiều tin tức quan trọng.

Tháng 3/1975 Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu yêu cầu vị Chủ tịch Ủy ban Quốc phòng này phải thuyết phục sao cho Quốc hội Hoa Kỳ phải mở hầu bao, chìa tay ra cứu vớt kẻ đang hấp hối; phải làm cho Quốc hội Hoa Kỳ thấy được, nếu không viện trợ ngay cho Sài Gòn thì Sài Gòn sẽ sụp đổ. Theo yêu cầu của tổ chức, Ba Đệ phải tận dụng cơ hội hiếm hoi này để làm cho Quốc hội Hoa Kỳ thấy được sự vô vọng của mọi cố gắng; ông muốn gửi đến Quốc hội Hoa Kỳ một thông điệp "Đừng tiếp tục ném tiền qua cửa sổ vô ích".Ngày 6/4/1975, phái đoàn của Đinh Văn Đệ kết thúc chuyến công du Hoa Kỳ về nước mà không đạt được kết quả như mong đợi. Hầu hết các thành viên trong đoàn đều đã cảm nhận được sự buông xuôi của Mỹ qua thái độ lạnh nhạt, thờ ơ của Quốc hội Hoa Kỳ.