Vinte e sete generais do Exército lançaram um manifesto à nação exigindo a renúncia de Vargas. Na madrugada do dia 24, Vargas reuniu seu ministério e concordou afinal em licenciar-se provisoriamente do cargo. Os militares antigetulistas mostraram-se porém irredutíveis. Na manhã do dia 24, recusaram a fórmula proposta por Vargas e transmitiram o ultimato final ao palácio presidencial. Impassível, Vargas retirou-se para seu quarto, suicidando-se, em seguida, com um disparo de revólver contra o coração. No mesmo dia, Café Filho assumiu a chefia da nação para cumprir o resto do mandato presidencial, em meio a um clima de forte comoção e de protestos populares em todo o país. Em outubro de 1954, Capanema reelegeu-se deputado federal na legenda do PSD.
A crise político-militar de agosto de 1954 reabriu-se no ano seguinte com a eleição de Juscelino Kubitschek e João Goulart à presidência e à vice-presidência da República. A ala extremista da UDN, liderada pelos deputados Carlos Lacerda e Aliomar Baleeiro, passou imediatamente a advogar uma intervenção das forças armadas para impedir a posse dos eleitos. No dia 11 de novembro, numa ação destinada a assegurar a posse de Kubitschek e Goulart, o ministro da Guerra Henrique Teixeira Lott assumiu o controle militar do Rio de Janeiro e anunciou a destituição do presidente Carlos Luz, provisoriamente instalado no cargo por motivo de doença de Café Filho. Nesse mesmo dia, a Câmara dos Deputados legitimou a ação do general Lott, aprovando por 182 votos a 72 requerimento de Capanema em favor do impedimento de Carlos Luz e de sua substituição pelo vice-presidente do Senado, Nereu Ramos.
Em abril de 1956, já no governo Kubitschek, Capanema passou o cargo de líder da maioria na Câmara Federal ao deputado Tarcilo Vieira de Melo. Em novembro do mesmo ano, chefiou a delegação brasileira à IV Conferência Geral da UNESCO, em Nova Délhi, na condição de embaixador extraordinário.
Em 1959, foi nomeado pelo presidente Juscelino Kubitschek ministro do Tribunal de Contas da União (TCU), cargo que ocupou até 1961, quando retornou à Câmara.
Na seqüência da crise provocada pela renúncia do presidente Jânio Quadros (25/8/1961), Capanema participou das discussões e da aprovação da Emenda Constitucional nº 4, conhecida como Ato Adicional (2/9/1961), que instituiu o sistema parlamentarista. A mudança de sistema de governo foi a fórmula encontrada pelo Congresso para contornar o veto dos ministros militares à posse do vice-presidente João Goulart.
No decorrer de 1962, Goulart travou uma obstinada luta para recuperar os plenos poderes, insistindo particularmente na antecipação do plebiscito, previsto para 1965, que referendaria ou não o sistema parlamentarista. Em meados de 1962, a maioria do Congresso já admitia a necessidade de restituir alguns dos poderes presidenciais suprimidos pelo Ato Adicional. Nesse período, Capanema presidiu a comissão especial encarregada de elaborar a legislação complementar ao Ato Adicional e apresentou um projeto autorizando Goulart a nomear um Conselho de Ministros Provisório, sem prévia anuência do Congresso, nos momentos de crise. Com base nesse projeto, o senador Benedito Valadares apresentou uma emenda convocando o plebiscito para 6 de janeiro de 1963. Levada à votação em setembro de 1962, a emenda Valadares foi aprovada, apesar da oposição de dirigentes do PSD, da UDN e do PSP.
Em janeiro de 1963, o plebiscito aprovou por expressiva maioria a volta ao sistema presidencialista. Goulart lançou-se então com todo vigor à campanha pelas reformas de base, ao lado da ala esquerda do PTB e de organizações esquerdistas como o PCB. Como a maioria dos dirigentes do PSD, Capanema passou a encarar com reservas o governo Goulart.
Em 19 de março de 1964, Capanema pronunciou na X Convenção Nacional do PSD um discurso em defesa da estrita observância da Constituição no encaminhamento das reformas de base. Em 31 de março, quando se verificou o confronto final entre o governo e a oposição, Capanema colocou-se ao lado do movimento político-militar que depôs o presidente João Goulart.
Durante a presidência de Humberto Castelo Branco, empossado a 15 de abril de 1964, Capanema manteve-se na defesa de seu governo, manifestando, porém, em diversas ocasiões, sua oposição às medidas de força assumidas pelo novo regime. Em novembro de 1964, no auge da crise entre o governador de Goiás, Mauro Borges, e o governo federal, discursou na Câmara elogiando a decisão do Supremo Tribunal Federal em conceder habeas-corpus garantindo o mandato do governador goiano. A crise culminou com a intervenção federal em Goiás, decretada por Castelo Branco em 30 de novembro de 1964.
Em outubro de 1965, Capanema e outros líderes do PSD, como Ernâni Amaral Peixoto e Vieira de Melo, colocaram-se contra o projeto governamental de emenda constitucional ampliando a competência da Justiça Militar, criando novos casos de intervenção federal e estabelecendo o Estatuto dos Cassados Políticos. O projeto fora enviado por Castelo Branco ao Congresso a fim de aliviar as pressões que vinha sofrendo por parte dos militares mais radicais no sentido de impedir a posse de Francisco Negrão de Lima e Israel Pinheiro, eleitos em 3 de outubro pelas correntes de oposição para os governos da Guanabara e de Minas Gerais, respectivamente. Na Câmara, Capanema foi designado presidente da comissão encarregada de opinar sobre o Estatuto dos Cassados Políticos. Segundo Luís Viana Filho, então chefe do Gabinete Civil da Presidência, Capanema “dissuadiu Castelo Branco da possibilidade de aprovação das medidas governamentais na Câmara, onde a maioria, representada pelo PSD e o PTB, desejava preservar o ex-presidente Juscelino Kubitschek”, cujos direitos políticos haviam sido suspensos pelo Ato Institucional nº 1 (9/4/1964). Em 27 de outubro de 1965, as medidas foram tomadas à revelia do Congresso, através da decretação do Ato Institucional nº 2 pelo presidente Castelo Branco.
Com a extinção dos partidos políticos, determinada pelo AI-2, Capanema ingressou em 1966 na Aliança Renovadora Nacional (Arena), partido de apoio ao governo, tornando-se membro de sua comissão executiva nacional.
Após sua reeleição à Câmara Federal, pela Arena, em novembro de 1966, o general Artur da Costa e Silva, candidato à sucessão presidencial, indicou-o para a vice-presidência da República, como companheiro de chapa. A escolha acabou recaindo sobre Pedro Aleixo, nome proposto pelo presidente Castelo Branco.
Em 1969, durante o recesso do Congresso determinado pelo Ato Institucional nº 5 (13/12 /1968), Capanema encaminhou ao presidente da Arena, Rondon Pacheco, um plano de reforma eleitoral inspirado no sistema vigente na República Federal da Alemanha onde procurava conciliar o princípio da representação proporcional com a eleição de deputados federais e estaduais por distrito. O plano de reforma eleitoral de Capanema pôde, assim, ser considerado uma tentativa de adaptar o funcionamento do sistema representativo ao regime de força instituído pelo AI-5. Mais tarde, no início do governo do presidente João Figueiredo (1979), os líderes do Partido Democrático Social (PDS), sucessor da Arena, insistiriam na necessidade de implantação de um sistema eleitoral misto em bases semelhantes à proposta de Capanema, a fim de diminuir as possibilidades de acesso da oposição ao poder.
Em novembro de 1970, Capanema elegeu-se senador por Minas Gerais na legenda da Arena. Durante sua permanência no Senado, foi presidente da Comissão de Educação e Cultura de 1971 a 1973 e vice-presidente da Comissão de Constituição e Justiça a partir de 1975.
Em janeiro de 1979, ao término de seu mandato no Senado, encerrou sua carreira política, fixando residência no Rio de Janeiro. Em 1980, candidatou-se a uma cadeira na Academia Brasileira de Letras, tendo sido entretanto derrotado pela escritora Diná Silveira de Queirós.
Foi presidente do Museu de Arte Moderna, do Rio de Janeiro, e membro do conselho deliberativo da Bienal de São Paulo, presidente do Círculo de Arte Vera Ianacopoulos, no Rio de Janeiro, e membro do conselho deliberativo da Fundação Mílton Campos, criada pela Arena em setembro de 1975.