באפריל 1942 הצטרף ברנל למטה מבצעים משולבים, יחידה במשרד המלחמה הבריטי, על פי בקשתו של מפקד היחידה, סגן אדמירל לואי מאונטבאטן. תפקידה העיקרי של יחידה זו היה ליזום פשיטות נגד הכוחות הגרמנים באירופה על ידי כוחות קומנדו, תוך שילוב בין זרועות היבשה, הים והאוויר. למרות הרקע השונה מאוד בין ברנל, הקומוניסט האירי, לבן המלוכה (מאונטבאטן היה בן דודו של ג'ורג' השישי מלך בריטניה), חובב המכוניות המהירות ומשחקי הפולו, נוצרו ביניהם יחסי חיבה והערכה הדדית. ברנל לא היה המדען היחיד שמאונטבאטן צירף למבצעים משולבים. יחד עם ברנל צורף לצוות גם סולי צוקרמן, שמתחילה המלחמה עבד ב"ועדת המחקר של ההגנה האזרחית" יחד עם ברנל, וקדם להם ג'פרי פייק (Geoffrey Pike), ממציא יהודי אקסצנטרי שהוצע למאונטבאטן על ידי השר לאופולד אמרי. מאונטבאטן הורה לקציניו לשתף את צוות המדענים בכל דיון מבצעי מההתחלה, על מנת שאם תעלה שאלה שתופנה אליהם הם יוכלו לראות את התמונה המלאה. בפועל התייחסו קציניו של מאונטבאטן בחשדנות מה לאזרחים שצורפו אליהם וניסו להיעזר בהם לשם ייעוץ טכני בלבד. ברנל שותף במידה מוגבלת בתכנון של הפשיטה על דייפ (הוא התבקש לעזור בהערכת שיפוע החוף) שהתבצעה ב-19 באוגוסט 1942. היה זה המבצע הגדול ביותר של מטה מבצעים משולבים, ניסיון להנחית דיוויזיה קנדית על מנת להשתלט על הנמל הצרפתי, והוא נכשל כישלון חרוץ. ניסיון הנחיתה נתקל בהתנגדות גרמנית עזה ומאורגנת היטב. מתוך 4,000 החיילים שנחתו על החוף הצליחו לחזור לאנגליה רק כ-1,000, השאר נהרגו או נפלו בשבי. יחד עם אחרים עסקו ברנל וצוקרמן אחר כך במחקר על הסיבות לכישלון. המסקנות אליהם הגיעו החוקרים הצביעו על כך שתכנון המבצע היה לקוי באופן חמור.