זמן קצר לאחר מינויו של ברק, החל סבב לחימה חדש בין ישראל לחמאס ושאר ארגוני הטרור המרכזים רצועת עזה. הלחימה התבטאה בסיכול ממוקד של צה"ל של פעילי חמאס וירי של 42 רקטות לעבר שדרות ואשקלון ותגובת צה"ל בפתיחת מבצע חורף חם, שבסיומה הוחלט על הסכם רגיעה (תהדיאה), בת שישה חודשים, בין ישראל לבין חמאס ברצועת עזה, שהוצאה לפועל בתיווך מצרי. התהדיאה נשברה ב-5 בנובמבר 2008 במבצע אתגר כפול שבו גדוד הסיור של הצנחנים (שרף) השמיד בית ממולכד ומנהרה שחפר החמאס שלוש מאות מטרים מעבר לגדר הגבול עם רצועת עזה. המנהרה הייתה אמורה לשמש לפעילות טרור. בתגובה להשמדת הבית ממולכד והמנהרה החל ירי רקטי מסיבי של חמאס, שעיקרו כיוון למרכזי אוכלוסין אזרחיים. ירי הרקטות נמשך כל אורך נובמבר והמשיך גם לחודש דצמבר. בתגובה הורה ברק על סגירת המעברים עד שהירי יפסק.
לנוכח ההסלמה הביטחונית החלו הכנות למבצע עופרת יצוקה, שהחל ב-27 בדצמבר 2008. מטרתו של המבצע הייתה "לפגוע קשה בממשלת חמאס על מנת לגרום למציאות ביטחונית טובה יותר לאורך זמן סביב רצועת עזה, תוך חיזוק ההרתעה וצמצום ירי הרקטות ככל שניתן". בסופו של דבר הוגדרו שלושה יעדים למבצע: הראשון - ליצור רגיעה ביטחונית שתשרוד לאורך זמן; השני - למנוע את יכולת חמאס להתחמש; והשלישי - להחזיר את החייל החטוף גלעד שליט. היעד האחרון לא הוגדר חד משמעית ולא הושלם. המבצע החל בהפצצה אווירית של צה"ל על מטרות אסטרטגיות ברחבי הרצועה, ולמחרת פתיחתו ברק אישר העברת 100 משאיות עמוסות במזון ותרופות כסיוע הומניטרי לתושבי רצועת עזה. באותו היום אישרה הממשלה את הצהרתו של ברק על מצב מיוחד בעורף ביישובי עוטף עזה, וכן הפעלת משק לשעת חירום. כמו כן הוחלט לא לחדש את הלימודים באזורי העימות בדרום בתום חופשת החנוכה. במהלך היום פגעו רקטות ביישובים שונים.
במבצע נעשה אחוז שימוש גבוהה בפצצות מונחות והוצאה לפועל גם סדרת סיכולים ממוקדים של מפקדים ובכירים בארגוני הטרור. ב-3 בינואר, בחסות הפגזה ארטילרית של צה"ל לעבר מטרות טרור, החלה כניסת כוחות קרקע, בדמות חי"ר, הנדסה קרבית ושריון, לתוך רצועת עזה. במקביל החל גיוס חיילי המילואים - הקבינט המדיני-ביטחוני אישר גיוס של עשרות אלפי חיילי מילואים מהמערך הלוחם והתומך, אף שלמעשה קיבלו פחות מ-10,000 חיילי מילואים צו 8. במהלך המבצע הופנתה ביקורת בינלאומית נגד ישראל, בין היתר על השימוש בפצצות זרחן, ולאחר המבצע פסק השימוש בהם. חלק ניכר מהלחימה התנהל בשטח מיושב, כשאנשי החמאס פועלים בקרב אזרחים, מנצלים אותם בתור מגן אנושי ומסכנים אותם. ב-17 בינואר, סמוך לשעה 23:00, הכריז ראש ממשלת ישראל אהוד אולמרט במסיבת עיתונאים על הפסקת אש חד-צדדית שתכנס לתוקפה החל מהשעה 2:00 בלילה. עם כניסת הפסקת האש לתוקפה, החל צה"ל לדלל את כוחותיו ברצועת עזה. ראש הממשלה אולמרט, שר הביטחון ברק והרמטכ"ל אשכנזי הכריזו שיעדי המבצע הושגו, חמאס הוכה קשות ונוצרו תנאים לשינוי מהותי במציאות הביטחונית בדרומה של מדינת ישראל. אחרוני הכוחות יצאו מהרצועה ב-21 בינואר, לאחר ההשבעה של ברק אובמה לנשיאות ארצות הברית. המבצע הסתכם ב-13 הרוגים ישראלים (10 חיילים ו-3 אזרחים), מעל לאלף הרוגים בצד של החמאס, מתוכם לפחות 800 פעילי טרור, ופגיעה משמעותית במערך הצבאי של החמאס.
בבחירות לכנסת השמונה עשרה שנערכו בפברואר 2009, נחלה מפלגת העבודה בראשות ברק תבוסה בקלפי: מ־19 מנדטים ירדה ל־13 מנדטים, ובפעם הראשונה הייתה למפלגה הרביעית בגודלה בכנסת (אחרי קדימה, הליכוד וישראל ביתנו). ברק הצהיר כי גזר דינו של הבוחר קבע שעל מפלגת העבודה להישאר באופוזיציה, אך החל להיפגש עם המיועד לראשות הממשלה, בנימין נתניהו, הגיע עמו להסכמות על הצטרפות של מפלגת העבודה לממשלתו, והתמנה לשר הביטחון בממשלת ישראל השלושים ושתיים.
בשנת 2009 פרסם מבקר המדינה, מיכאל לינדנשטראוס, דו"ח שהצביע על כשלים ארגוניים חמורים במשלחת מערכת הביטחון לסלון האווירי בפריז ביוני אותה שנה. המשלחת נדרשה לשלם הוצאות גבוהות, ובכלל זה סוויטה שבה השתכן שר הביטחון, אהוד ברק, במלון אינטרקונטיננטל בעלות של 2,500 אירו ללילה.
בין ברק לרמטכ"ל גבי אשכנזי שררה מערכת יחסים עכורה, שלימים תיאר אותה המבקר לינדנשטראוס כ"אווירת מלחמה". בתחילת אפריל 2010 הודיע ברק כי לא יאריך את כהונתו של אשכנזי בשנה נוספת. מערכת יחסים עכורה זו הגיעה לשיא כאשר לאחר פרישת אשכנזי האשים אותו ברק בלקיחת שוחד, בסיוע במתן שוחד ובעבירות נוספות. ב־6 בינואר 2013 פרסם מבקר המדינה, יוסף שפירא, את הדו"ח הסופי שלו בפרשת "מסמך הרפז", ובו ביקורת על התנהלותם של גבי אשכנזי וברק. ב־5 בספטמבר 2010 המליץ ברק למנות את יואב גלנט לרמטכ"ל והממשלה אישרה את המלצתו, אך בעקבות עתירה לבג"ץ נגד המינוי, נאלץ ברק לבטל את המינוי, ולמנות את בני גנץ לתפקיד.
ב־17 בינואר 2011 הביא ברק לפילוג מפלגת העבודה כאשר פרש ממנה עם ארבעה ח"כים נוספים כדי להקים את סיעת "העצמאות". מפלגת העבודה נותרה עם שמונה חברי כנסת.
סוגיה מרכזית שבה עסק ברק בכהונה זו היא סוגיית תקיפתם של מתקני הגרעין באיראן. הוא ציין כי: "על הגרעין האיראני מתנהל דיון ציבורי מזה שנים בישראל, ישנם אינסוף ראיונות ודיונים ציבוריים, אנחנו לא מסתירים את מחשבותינו. עם זאת, יש סוגיות מבצעיות שלא דנים בהן באופן ציבורי, כי אז לא ניתן יהיה לבצע אותן". לדעת ברק, איראן גרעינית מסוכנת יותר מאשר תקיפה באיראן אך הערכות פרשנים לגבי עמדתו שונות מאוד זו מזו.
בנובמבר 2012 חלה הידרדרות ביטחונית מחודשת בגזרת הדרום, ובעקבותיה הוחלט להוציא לפועל את מבצע עמוד ענן. ההחלטה על היציאה למבצע התקבלה בישיבה של המטבחון הממשלתי ב-13 בנובמבר. בעת ההכנות למבצע, כאשר הוחלט כי מהלך הפתיחה של המבצע יכלול בנוסף לפגיעה בתשתיות החמאס גם מהלך של סיכול ממוקד, התעקש הרמטכ"ל כי אחמד ג'עברי יהיה היעד הנבחר, על אף הקושי לאתר את מיקומו. על מנת להונות את החמאס וכדי לסייע בהשגת יתרון ההפתעה בעת פתיחת המבצע, הועברה לכלי התקשורת דיסאינפורמציה שכללה מסרים מפייסים שנושאם היה תום סבב הלחימה, וכן הצהרות כלליות בלבד של ברק על תגובה עתידית של ישראל. בבוקר יום פתיחת המבצע יצאו ברק וראש הממשלה נתניהו לסיור ברמת הגולן, מה שנתפס מאוחר יותר כמצג שווא לפיו נושא הגזרה הסורית הוא הנושא המרכזי שעומד בראש סדר היום בישראל, ולא נושא הירי מרצועת עזה.
לאחר תחילת המבצע תיאר ברק את מטרותיו: "חיזוק ההרתעה, פגיעה קשה במערך הרקטות, פגיעה כואבת בחמאס ובארגוני הטרור, צמצום הפגיעה בעורף האזרחי שלנו". ביום הראשון למבצע החלו הפצצות אוויריות, הסיכול הממוקד בג'עברי צלח, חיל הים השתתף גם כן בהפגזות וברק הודיע בפומבי כי הושמדו רוב רקטות הפג'ר 5. כמו כן, לאחר החיסול הכריז שר הביטחון על מצב מיוחד בעורף בטווח של 40 ק"מ מרצועת עזה. הממשלה אישרה הכרזה זו לתקופה של חודש. בעקבות פעולות אלו הגיב החמאס בירי של קסאמים באזור עוטף עזה וגראדים לעבר באר שבע בהמשך לעבר מרכז אוכלוסין נוספים בכל דרום הארץ ואף ירושלים וגוש דן. לקראת ערב היום השני נערך משאל טלפוני בין שרי הממשלה לאישור עקרוני לגיוס 75 אלף חיילים שאושר פה אחד. בפועל, גויסו במהלך כל המבצע כ־57,000 חיילים.
המבצע נמשך שמונה ימים, במהלכו בוצע בין היתר ניסיון סיכול כושל של מנהיג חמאס, אסמאעיל הנייה. בהוראת שר הביטחון הוצבה סוללת כיפת ברזל נוספת, חמישית במספר, כחודשיים מוקדם מן הצפוי, להגנת גוש דן. הסוללה ירטה רקטה ראשונה כשעה בלבד לאחר שהפכה למבצעית. עם ההחלטה על הפסקת האש ב-21 לחודש, מסיבת עיתונאים התקיימה בירושלים בהשתתפות נתניהו, ברק ושר החוץ ליברמן, שהודיעו על תמיכתם בהסכם להפסקת האש. הפסקת האש נכנסה לתוקף בשעה 21:00 אך בפועל גם בשעות שלאחר כניסת הפסקת האש לתוקף שוגרו לעבר יישובי הדרום רקטות ופצצות מרגמה, ולמחרת לא התקיימו לימודים ביישובים שבטווח 40 ק"מ מרצועת עזה. המבצע הסתכם בשישה הרוגים ישראלים, 155 פעילי טרור הרוגים ו-68 אזרחים עזתים הרוגים.
ב־26 בנובמבר 2012 הודיע ברק על פרישתו מהחיים הפוליטיים בשנית ועל כך שלא יתמודד בבחירות לכנסת התשע עשרה כעבור שלושה ימים, ב־29 בנובמבר, ביקר ברק בפנטגון. במהלך הביקור העניק לו מזכיר ההגנה לאון פנטה את מדליית מחלקת ההגנה לשירות ציבורי מצטיין. בעקבות פרישתו החליטה סיעת העצמאות לא להתמודד בבחירות לכנסת התשע עשרה שנערכו ב־22 בינואר 2013, וכהונתו של ברק הסתיימה עם השבעת ממשלת ישראל השלושים ושלוש ב־18 במרץ וכניסתו לתפקיד של משה יעלון.
תקופת פרישתו מהפוליטיקה.
כחודשיים לאחר פרישתו הודיעה נציגות בנק יוליוס בר השווייצרי בישראל, כי שכרה את ברק לתפקיד יועץ מיוחד. בינואר 2014 מונה כדירקטור בחברת CIFC האמריקאית הנסחרת בנאסד"ק.
בנובמבר 2014 הורה היועץ המשפטי לממשלה, יהודה וינשטיין, לבדוק טענה של ראש הממשלה לשעבר, אהוד אולמרט, לפיה ברק קיבל שוחד, ובינואר 2016 החליט לגנוז את הבדיקה.
במהלך 2016 מונה ליו"ר דירקטוריון חברת ההזנק REPORTY, לאחר שגם השקיע בה.
ב־16 ביוני 2016, ברק נשא נאום בכנס הרצליה 2016 במכון למדיניות אסטרטגית במרכז הבינתחומי הרצליה בו ביקר את ממשלת ישראל השלושים וארבע ואמר: "אם הממשלה לא תתעשת - יש להפילה במחאה עממית".