ทรงสละราชสมบัติเมื่อวันที่ 2 กันยายน พ.ศ. 2498 ให้แก่พระบาทสมเด็จพระนโรดม สุรามฤต พระราชบิดา เพื่อทรงดำรงตำแหน่งทางการเมืองเป็นนายกรัฐมนตรีของประเทศกัมพูชา

เมื่อทรงเวนราชสมบัติถวายพระราชบิดา ทรงดำรงฐานันดรศักดิ์ที่พระมหาอุปยุวราชในพระนามสมเด็จพระนโรดมสีหนุ เมื่อพระราชบิดาเสด็จสุรคตใน พ.ศ. 2503 ก็ได้มีคณะผู้สำเร็จราชการแผ่นดินแทนพระองค์พระมหากษัตริย์ขึ้น มีสมเด็จกรมพระสีสุวัตถิ์มุนีเรศเป็นองค์ประธาน ต่อมา สมเด็จพระนโดมสีหนุตัดสินพระทัยให้มีตำแหน่งประมุขของรัฐขึ้นมาแทนที่พระมหากษัตริย์ โดยพระองค์ได้ทรงดำรงตำแหน่งนั้น แต่สถาบันพระมหากษัตริย์ก็ยังคงอยู่โดยมีพระราชชนนีของพระองค์เองเป็นพระนิมิตรูปหรือสัญลักษณ์ของสถาบันพระมหากษัตริย์

สมเด็จพระนโรมดมสีหนุได้ตั้งพรรคการเมืองสังคมราษฎร์นิยมขึ้นมาเพื่อลงเลือกตั้งใน พ.ศ. 2498 โดยทรงชนะการเลือกตั้ง และได้ทรงบริหารดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรีบ้าง ประมุขแห่งรัฐบ้างไปอีกถึง 15 ปี และที่สำคัญคือทรงเป็น "สมเด็จโอว" หรือ "สมเด็จพ่อ" ของประชาชนชาวกัมพูชานั่นเอง

พ.ศ. 2513 สมาชิกสภาแห่งชาติลงมติปลดสมเด็จพระนโรดมสีหนุออกจากตำแหน่งประมุขรัฐขณะเสด็จเยือนต่างประเทศ แผนการรัฐประหารครั้งนี้นำโดยนักองค์ราชวงศ์สีสุวัตถิ์ สิริมตะและมีลอน นอลเป็นผู้ลงนามประกาศสบับสนุนการปลดพระองค์ในสภาแห่งชาติ และมีการสถาปนาสาธารณรัฐเขมรขึ้น