เมื่อวันที่ 19 กรกฎาคม 2566 ภายหลังการประชุมร่วมกันของรัฐสภา พิจารณาให้ความเห็นชอบบุคคลซึ่งสมควรได้รับแต่งตั้งเป็นนายกรัฐมนตรี ตามมาตรา 272 ของรัฐธรรมนูญ เป็นครั้งที่ 2 โดยมีนายวันมูหะมัดนอร์ มะทา ประธานรัฐสภา ทำหน้าที่เป็นประธานการประชุม มีสมาชิกรัฐสภาทั้งหมด 748 คน การได้เป็นนายกรัฐมนตรีจะต้องได้เสียงเกินกึ่งหนึ่งคือ 375 คน

โดย ที่ประชุมรัฐสภาเสียงส่วนใหญ่เห็นว่า ญัตติเสนอชื่อนายพิธาเป็นญัตติที่ตกไปแล้ว ไม่สามารถเสนอชื่อนายพิธาซ้ำได้ ตามข้อบังคับการประชุมรัฐธรรมนูญ ข้อ 41 ด้วยเสียง 395 ต่อ 312 งดออกเสียง 8 ไม่ลงคะแนน 1 จากจำนวนผู้ลงมติ 715 คน

สำหรับผลโหวตลงคะแนน 395 เสียงที่เห็นว่าชื่อของนายพิธาไม่สามารถนำกลับมาโหวตรอบสองได้ เป็นเสียงของอดีตพรรคร่วมรัฐบาลเดิมที่ลงมติไปในทางเดียวกัน ได้แก่ พรรคภูมิใจไทย พรรคพลังประชารัฐ พรรครวมไทยสร้างชาติ พรรคประชาธิปัตย์ พรรคชาติไทยพัฒนา พรรคชาติพัฒนากล้า พรรคครูไทยเพื่อประชาชน พรรคท้องที่ไท พรรคประชาธิปไตยใหม่ ที่ลงคะแนนไม่มีแตกแถว ยกเว้นนายชวน หลีกภัย และนายบัญญัติ บรรทัดฐาน ส.ส.บัญชีรายชื่อพรรคประชาธิปัตย์ ที่ลงมติงดออกเสียง

ส่วนฝ่ายที่ลงคะแนน 317 เสียง ว่าชื่อนายพิธาสามารถนำกลับมาโหวตรอบสองได้ ยังคงเป็นเสียงของ 8 พรรคร่วมรัฐบาลที่ลงมติไปในทางเดียวกัน ได้แก่ พรรคก้าวไกล พรรคเพื่อไทย พรรคประชาชาติ พรรคไทยสร้างไทย พรรคเพื่อไทรวมพลัง พรรคพลังสังคมใหม่ พรรคเป็นธรรม ยกเว้นพรรคเสรีรวมไทย คือพล.ต.อ.เสรีพิศุทธ์ เตมียเวส หัวหน้าพรรคเสรีรวมไทย ที่ไม่ปรากฏมาลงมติใดๆ ทั้งสิ้น

ทั้งนี้ ชื่อของ 8 พรรคร่วมรัฐบาลจากเดิมตอนโหวตนายกฯรอบแรก มีเสียงสนับสนุน 324 เสียง แต่รอบนี้ได้ 317 เสียง หายไป 7 เสียงได้แก่ นายวันชัย สอนศิริ พ.ต.อ.จรุงวิทย์ ภุมมา นายอำพล จินดาวัฒนา นายพีรศักดิ์ พอจิต นายสุรเดช จิรัฐิติเจริญ พล.ต.อ.เสรีพิศุทธ์ เตมียเวส และนายพิธา ลิ้มเจริญรัตน์