Nos anos 1961 e 1962, as sucessivas crises em Brasília foram agravadas pelas campanhas para eleição de prefeitos, governadores e senadores em todos os Estados. Adhemar começou cedo sua campanha para o governo de São Paulo tendo como candidato a vice Laudo Natel. Jânio Quadros retornou da Europa e também se lançou na disputa pelo PTN.
Tomando posse no Governo do Estado para seu segundo mandato, não demorou para romper com o governo reformista de João Goulart. O passo seguinte foi aliar-se aos governadores da Guanabara – Carlos Lacerda -, e de Minas Gerais – Magalhães Pinto -, e colocar toda a força econômica, política e militar de São Paulo a serviço da conspiração que culminou com a deposição do presidente Goulart por golpe militar em 1º de abril de 1964. Antes, em fevereiro de 64 já havia anunciado que era candidato à Presidência na eleição de outubro de 1965. Fazendo contraponto com o programa de ajuda à América Latina anunciado por John Kennedy, lança em São Paulo a Aliança Brasileira para o Progresso.
O objetivo era canalizar recursos do Estado e da iniciativa privada para os estados do Nordeste com o fim de financiar o desenvolvimento. Foi a principal liderança civil de sustentação do governo militar até que Castelo Branco com o Ato Institucional nº 2, de 27 de outubro de 1965, dissolveu todos os partidos políticos e estabeleceu que as eleições para Presidente e Governadores seriam realizadas de forma indireta. Inconformado, passou a conspirar abertamente contra o governo militar. Em 6 de junho de 1966, teve seu mandato de governador cassado pelo Ato Complementar nº 10.
