Nell'immediato dopoguerra Segni è uno dei maggiori notabili democristiani in Sardegna. Il 17 Aprile del 1948, alla vigilia delle elezioni, Cossiga, afferma che passa la notte precedente le elezioni nella sede del comitato provinciale della DC di Sassari armato fino ai denti con bombe a mano, mitra e caricatori in quantità. Le armi dice di averle ricevute da Antonio Segni, il quale a sua volta le ha ricevute dai carabinieri, le stesse armi fatte arrivare segretamente dagli Stati Uniti da Alcide De Gasperi. Lo stesso Cossiga nel maggio '58 diventa deputato grazie alla sponsorizzazione di Antonio Segni. Quando Segni diventa ministro della difesa, affida a Cossiga un incarico non ufficiale e delicato: fare da tramite fra la presidenza della Repubblica e il generale Giovanni De Lorenzo, a quel tempo capo del SIFAR. Nello stesso periodo Segni dichiara che l'Italia ospiterà basi missilistiche USA.
Il 6 Giugno 1962 Segni viene eletto presidente della repubblica, con i voti determinanti del MSI.
Il primo Aprile 1963 piangerà di commozione vedendo sfilare, la brigata meccanizzata dei carabinieri costituita dal gen. De Lorenzo.
Il 7 Agosto 1964 è colto da ictus cerebrale, durante una vivace discussione con Giuseppe Saragat in cui Segni difende il tentativo di colpo di stato che De Lorenzo ha posto in essere con il piano Solo, dopo pochi giorni è costretto a lasciare temporaneamente la presidenza della repubblica.
L'8 Dicembre rassegna le dimissioni.