Courtisé par le camp du oui lors du référendum sur la souveraineté, il accepte l'invitation pour s'assurer que la notion de négociation avec le reste du Canada sera présente dans la question référendaire.
Le 12 juin 1995, il se joint donc officiellement au camp du oui, se présentant comme un fédéraliste déçu par l'échec de l'Accord du Lac Meech. Il militera aux côtés de Jacques Parizeau et de Lucien Bouchard, du Parti québécois et du Bloc québécois.
Mario Dumont, Jacques Parizeau et Lucien Bouchard font campagne ensemble lors du référendum
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Presse canadienne/Ryan Remiorz
« Les défenseurs des intérêts du Québec n'avaient d'autre choix que de se rallier au Comité parapluie du oui. Souverainistes ou pas (...) voter non équivalait à condamner le Québec au statu quo ».
Les résultats du référendum sont serrés : 49,4 % des voix pour le oui, 50,6 % pour le non.
Après l'échec du camp du oui, Mario Dumont réclamera un moratoire de 10 ans sur tout référendum subséquent qui porterait sur la question nationale.
Le chef du PQ et premier ministre du Québec Jacques Parizeau quitte alors la vie politique. Lucien Bouchard est choisi chef du PQ sans opposition.