Bien que nommé gouverneur de l’Algérie après la révolution de 1848, il revint en France pour y suivre de plus près les évènements et se fit élire représentant du peuple dans la Seine et le Lot.
Après avoir hésité, il accepta le ministère de la Guerre et, à ce titre, réprima durement l’insurrection populaire de juin 1848.
Estimant qu’il avait mérité de la patrie, l’Assemblée lui offrit un bâton de maréchal qu’il refusa. Chef de l'exécutif le 24 juin puis président du conseil des ministres, les républicains les plus modérés en firent leur candidat pour l'élection présidentielle de décembre 1848. Adversaire le plus sérieux de Louis-Napoléon Bonaparte, il dut s’incliner devant la victoire de ce dernier. Il ne renonça pas pour autant à la politique en passant à l’opposition. Arrêté lors du coup d'Etat du 2 Décembre 1851 qui enterra la Seconde République, il fut libéré au bout d’un mois.
En février 1852, élu au Corps législatif par la troisième circonscription de la Seine, il refusa de prêter serment au nouveau régime et fut déclaré démissionnaire. Mis à la retraite sur sa demande, il se retira dans la Sarthe tout en devenant l'un des symboles de la résistance au nouveau régime.
Aux élections générales de 1857, il recueillit des voix dans douze départements et fut de nouveau élu par la troisième circonscription de la Seine, mais persista dans son refus.
Quatre mois plus tard, au cours d'une partie de chasse sur ses terres de Flée (Sarthe), il fut atteint d'un malaise. Ramené par garde-chasse en son château d'Ourne, il y succomba peu après.
Louis Eugène Cavaignac fut inhumé dans la tombe familiale au cimetière de Montmartre.