Cyhoeddodd y byddai'n sefyll lawr fel Prif Weinidog ac arweinydd y Blaid Geidwadol ar 24 Mehefin 2016 unwaith i'r blaid ethol arweinydd newydd. Roedd disgwyl i hyn ddigwydd erbyn mis Medi 2016 ond gan mai Theresa May oedd yr unig ymgeisydd ar ôl yn y gystadleuaeth fe'i hetholwyd yn arweinydd newydd ar 11 Gorffennaf 2016. Dyletswydd olaf Cameron oedd cymryd rhan yn sesiwn Cwestiynau i'r Prif Weinidog ganol ddydd ar 13 Gorffennaf 2016, cyn iddo deithio i Balas Buckingham i gynnig ei ymddiswyddiad i'r Frenhines.
Ym mis Medi 2016, ymddiswyddodd o'i rôl fel Aelod Seneddol gan ddweud nad oedd am "dynnu sylw oddi ar y penderfyniadau pwysig sy'n wynebu fy olynydd yn Stryd Downing a'r llywodraeth".[2]
Dychwelodd i'r Llywodraeth ar 13 Tachwedd 2023 gan ymuno a chabinet Rishi Sunak fel Ysgrifennydd Tramor. Am nad oedd yn aelod seneddol, fe'i ddyrchafwyd i Dy'r Arglwyddi.[3]