Encabezó junto con Ricardo Pérez Godoy el golpe de Estado que defenestró a Manuel Prado Ugarteche e instauraron juntos la Junta Militar, cuya finalidad principal era cerrar el paso al aprismo, convocar a nuevas elecciones y entregar el poder el 28 de julio de 1963.
Sin embargo, cuando Pérez Godoy dio señales de pretender quedarse más tiempo en el poder, Nicolás Lindley López lo desaforó de la Presidencia de la República y la pasó a ejercer para cumplir con el cronograma inicial.
Convocó elecciones, en las que ganó Fernando Belaúnde Terry y entregó el poder en la fecha prevista.
Durante su gobierno nombró alcaldesa de Lima a Anita Fernandini de Naranjo, aristócrata limeña que hizo obras sociales y mostró preocupación por las costumbres religiosas.
Convocó a elecciones, en las cuales ganó Fernando Belaúnde Terry.