O ex-ministro não viveu a derrocada do governo João Goulart nos gabinetes ministeriais, já que, em 1962, foi estudar na Universidade Yale, em New Haven (EUA), onde obteve o mestrado em Economia, em maio de 1964. Quando voltou ao Brasil, em julho daquele ano, o governo militar do marechal Humberto Castelo Branco já estava instalado em Brasília.
Reis Velloso foi então trabalhar no Ministério do Planejamento, comandado pelo economista Roberto Campos, ícone do liberalismo econômico no País. Na nova função, ainda conforme o Cpdoc da FGV, Reis Velloso organizou e chefiou, até 1968, o Escritório de Pesquisa Econômica e Social Aplicada (EPEA), hoje Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea). Em abril de 1968, assumiu o cargo de secretário-geral do Ministério do Planejamento.
Reis Velloso assumiu como ministro no fim de 1969, em seguida da posse do general Emílio Garrastazu Médici na Presidência. À frente do Planejamento, coordenou as duas edições do Plano Nacional de Desenvolvimento (PND). O I PND foi lançado em 1972, e o II PND, em 1974.