Năm 1963, Cao Văn Viên chỉ là Đại tá, Tư lệnh Lữ đoàn nhảy Dù
Đến khi cuộc đảo chính 1963 nổ ra, ông là một trong những số ít sĩ quan cao cấp trung thành với Tổng thống Ngô Đình Diệm, kiên quyết không đứng về phe đảo chính do các tướng lĩnh Dương Văn Minh, Trần Văn Đôn, Tôn Thất Đính, Mai Hữu Xuân, Lê Văn Kim tiến hành. Vì vậy ông bị các tướng lĩnh tước quyền chỉ huy Lữ đoàn Nhảy dù, phải bàn giao cho Trung tướng Lê Văn Nghiêm. Tuy nhiên do sự can thiệp của tướng Tôn Thất Đính nên ông chỉ bị cách ly mà không rơi vào số phận bi thảm như các Đại tá Hồ Tấn Quyền, Lê Quang Tung. Sau 1 tuần lễ ông được phục hồi chức vụ Tư lệnh Lữ đoàn Dù.
Sau khi tướng Nguyễn Khánh thực hiện cuộc Chỉnh lý để giành quyền lãnh đạo, để tranh thủ sự ủng hộ của các sĩ quan trẻ, ngày 3 tháng 3 năm 1964, tướng Khánh đã thăng đặc cách cho ông tại mặt trận lên cấp Thiếu tướng nhiệm chức (ông bị thương trong cuộc hành quân Quyết Thắng tại Hồng Ngự, Kiến Phong). Ông là vị Đại tá cuối cùng được thăng cấp Thiếu tướng trước khi Việt Nam Cộng hòa đặt ra quy chế phong Đại tá lên Chuẩn tướng.