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Estrella conspiró junto a Rafael Leónidas Trujillo, que en ese entonces era el Jefe de las Fuerzas Armadas, a la caída del gobierno de Horacio Vásquez; debido a esto, Vásquez se ve obliga a renunciar, lo mismo sucedió con su vicepresidente, el Dr. José Dolores Alfonseca. Estrella, antes de dar el golpe a Vásquez, logra que este lo designe como Ministro de Interior y Policía, ya que de esta forma, sustituiría a Vásquez como presidente, debido a que también había renunciado el vicepresidente y por ende, el cargo le tocaba a este ministro, en conformidad a la Constitución reformada de 1929. De esta forma llega Estrella Ureña a la presidencia del país, aunque quien controlaba el poder era Trujillo.
En 1930, se encarga de preparar las elecciones, en donde Trujillo sale ganador y Estrella es designado como vicepresidente. Según los historiadores, algunos afirman que Estrella Ureña solicitó un permiso para viajar al exterior y desde Cuba renuncia a la vicepresidencia en 1932, pero hay otros que afirmar, que la relación entre Estrella y Trujillo, iba de mal en peor, debido a la política trujillista, con la cual no apoyaba, entonces Trujillo lo obliga a renunciar, poniendo como pretexto que se encontraba un poco mal de salud, y que por dicha razón no podía seguir en el cargo.
En los últimos años de su vida desempeñó el cargo de Juez de la Suprema Corte de Justicia. Estrella cae enfermo y es sometido a una operación quirúrgica, pero este no logró sobrevivir, por lo que fallece el 25 de mayo de 1945. Según algunos rumores, se dice que fue el mismo Trujillo quien mandó a matar a Estrella, a través del cirujano, quien fue comprado por el régimen. Trujillo, para no levantar sospechas, hipócritamente o descaradamente, declara tres días de duelo en el país.