ב?7 בינואר 2007 הודיע ברק על כוונתו להתמודד בבחירות לראשות מפלגת העבודה. בבחירות אלה נבחר ברק ליו"ר מפלגת העבודה, לאחר שניצח בסיבוב שני את עמי אילון, ברוב של 51.3% מקולות הבוחרים וזאת לאחר שהתחייב לפרוש מן הממשלה, מיד לאחר פרסום הדו"ח הסופי של ועדת וינוגרד לבדיקת אירועי מלחמת לבנון השנייה, אם אולמרט לא יקדים אותו ויתפטר מתפקידו. לאחר מכן הוזמן על ידי ראש הממשלה, אהוד אולמרט, להחליף את עמיר פרץ ולכהן כשר הביטחון. הוא הושבע כשר ביטחון וסגן ראש הממשלה ב?18 ביוני 2007, על רקע עימות חמאס-פת"ח ברצועת עזה.
ב?3 בפברואר, ולאחר פרסום הדו"ח הסופי של ועדת וינוגרד, הודיע ברק כי לא יפרוש מהממשלה בשל האתגרים בפניהם ניצבת ישראל, כאשר הוא התייחס ספציפית לעזה, לבנון וחזבאללה ואמר כי הוא "נשאר בממשלה כדי לתקן את הליקויים" כפי שהתבטאו בדו"ח הסופי ובשיקום צה"ל והדרג המדיני. ברק כיהן כשר הביטחון במבצע "עופרת יצוקה" שביצע צה"ל בסוף דצמבר 2008. במסגרת המבצע צה"ל נלחם בארגון החמאס ברצועת עזה.