เขาเป็นหนึ่งในทหารผู้ก่อการรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2549 โดยขณะนั้น พล.อ.อนุพงษ์ อยู่ในยศ พลโท (พล.ท.) และเป็นแม่ทัพกองทัพภาคที่ 1 ถูกมองว่าแม้จะเป็นนักเรียนเตรียมทหารรุ่นที่ 10 (ตท.10) เหมือน พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร และพรรคพวก แต่กลับไม่เข้าร่วมหรือเห็นดีเห็นชอบด้วยกับการกระทำของกลุ่ม จึงถูกมองว่าเป็นฝ่ายต่อต้าน พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร ด้วย จนถูกเรียกว่าเป็น ตท.10/1

ในคืนเกิดเหตุรัฐประหาร พล.ท.อนุพงษ์ เป็นผู้ดำเนินการ เพราะกองทัพภาคที่ 1 มีขอบเขตหน้าที่ดูแลกรุงเทพมหานครและจังหวัดอื่น ๆ ในภาคกลางอยู่แล้ว โดยใช้แผน "ปฐพี 149" โดยวางกำลังเป็นจุด วางเป้าหมาย รวมถึงจัดกำลังจากหน่วยทหารต่าง ๆ ให้เป็นไปตามเป้าหมาย และมีกองกำลังจากกองทัพภาคที่ 3 ของ พล.ท.สพรั่ง กัลยาณมิตร เป็นฝ่ายประสาน โดยการดำเนินการครั้งนี้กระทำด้วยความรอบคอบ ระมัดระวังอย่างที่สุด เพราะเป็นการเดิมพันด้วยชีวิต หากการไม่สำเร็จก็จะกลายเป็นกบฏในทันที โดยผู้ที่คิดวางแผนให้ใช้ริบบิ้นเหลืองผูกปลายปืนก็คือ พล.ท.อนุพงษ์ เอง เพื่อเป็นการป้องกันกองกำลังของฝ่ายที่ต่อต้าน

หลังจากเหตุการณ์ พล.ท.อนุพงษ์ เผ่าจินดา ได้เลื่อนยศเป็น พล.อ. ขึ้นดำรงตำแหน่งเป็นผู้ช่วยผู้บัญชาการทหารบก หรือที่เรียกว่า 5 เสือ ทบ. และดำรงตำแหน่งผู้ช่วยเลขาธิการคณะปฏิรูปการปกครองในระบอบประชาธิปไตยอันมีพระมหากษัตริย์ทรงเป็นประมุข[10](คปค.)คู่กับ พล.อ.สพรั่ง กัลยาณมิตร และเป็นหัวหน้าศูนย์ปฏิบัติการพิเศษ คมช.

พล.อ.อนุพงษ์ เป็นนายทหารที่อยู่ในสายงานคุมกำลังรบมาตั้งแต่เริ่มรับราชการใหม่ เคยเป็นผู้บัญชาการกรมทหารราบที่ 21 รักษาพระองค์ ทหารเสือราชินี (ผบ.ร.21 รอ.) เป็นผู้บัญชาการกองพลที่ 1 รักษาพระองค์ (ผบ.พล.1 รอ.) ก่อนจะได้เลื่อนเป็นรองแม่ทัพภาคที่ 1 และแม่ทัพภาคที่ 1

พล.อ.อนุพงษ์ ยังได้ศึกษาเพิ่มเติมนอกเหนือจากหลักสูตรทางด้านการทหารและได้จบปริญญาตรีทางด้าน รัฐศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยรามคำแหง และจบปริญญาโทจากสถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์ และวิทยาลัยป้องกันราชอาณาจักร รุ่นที่ 26

พล.อ.อนุพงษ์ได้รับเลือกให้เป็น ผู้บัญชาการทหารบก (คนที่ 36) เมื่อวันที่19 กันยายน พ.ศ. 2550 และได้รับพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯแต่งตั้งเมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2550 พล.อ.อนุพงษ์ได้รับตำแหน่งเป็น หัวหน้าผู้รับผิดชอบในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน ระหว่างวันที่ 2 กันยายน[11] พ.ศ. 2551 ถึง 14 กันยายน พ.ศ. 2551 และรับตำแหน่งผู้อำนวยการกองอำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน ระหว่างวันที่ 4 กันยายน[12] พ.ศ. 2551 ถึง 14 กันยายน พ.ศ. 2551

ในปี พ.ศ. 2552 เขาเป็นผู้ปฏิบัติงานในกองอำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน (กอฉ.)ตามคำสั่งสำนักนายกรัฐมนตรีที่ 98/2552 ในเหตุการณ์ ความไม่สงบทางการเมืองในประเทศไทย เมษายน พ.ศ. 2552[13]

เขาเป็นหัวหน้าผู้รับผิดชอบในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน ระหว่างวันที่ 16 เมษายน 2553 ถึง 30 กันยายน 2553[14] และเป็น ผู้ช่วยผู้อำนวยการ คณะกรรมการในศูนย์อำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน เขาจึงเป็นหัวหน้าผู้รับผิดชอบในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินที่ดำรงตำแหน่งนี้นานที่สุด โดยนายกรัฐมนตรีอาศัยอำนาจตาม พระราชกำหนดการบริหารราชการในสถานการณ์ฉุกเฉิน พ.ศ. 2548 แต่งตั้งขึ้น เขาดำรงตำแหน่งดังกล่าว 5 เดือน 23 วัน สื่อมวลชนเคยรายงานว่า ระหว่างที่เขาเป็นหัวหน้าผู้รับผิดชอบในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน เอกสารหลายอย่างต้องรอเขาอนุมัติ แทนที่จะเป็นนายกรัฐมนตรีหรือรองนายกรัฐมนตรีสามารถอนุมัติได้