באוגוסט 1973 הגיע ברק עם משפחתו לאוניברסיטת סטנפורד בארצות הברית. לפני צאתו עברת את שם משפחתו מ"ברוג" ל"ברק". חודשיים לאחר מכן, עם פרוץ מלחמת יום הכיפורים, שב לישראל ופיקד על גדוד טנקים מאולתר (גדוד 100), שבין השאר חילץ את גדוד הצנחנים 890 בפיקודו של איציק מרדכי בקרבות החווה הסינית. ב-1974 הועלה לדרגת אלוף-משנה ומונה לפקד על חטיבה 401 ועל קורס מפקדי טנקים. בהמשך מונה לראש מחלקת מחקר באגף המודיעין. ב-1975 מונה לתפקיד המטה הראשון שלו – עוזר ראש אמ"ן למבצעים, במקום עוזי יאירי שנהרג בפעולת החילוץ במלון סבוי. במסגרת תפקיד זה, היה ממתכנני מבצע אנטבה. במבצע עצמו נשלח לקניה כדי לפקח על ההתארגנות לתדלוק המטוסים בדרכם חזרה לישראל. בתחילת 1977 עזב את מחלקת המבצעים ונסע שוב לסטנפורד, וכעבור שנתיים סיים בהצטיינות תואר מוסמך לניתוח מערכות. עם שובו מארצות הברית ב-1979, קודם לדרגת תת-אלוף ומונה למפקד אוגדת המילואים המשוריינת עוצבת עמוד האש, ואחר כך למפקד עוצבת סיני. במקביל כיהן כמפקד קורס מג"דים.