Da den borgerlige koalisjonsregjeringen under Per Bortens ledelse sprakk i 1971 tok Trygve Bratteli over som statsminister, og utnevnte Cappelen til utenriksminister. I den jobben opplevde Cappelen et av sine største politiske nederlag, da det norske folk sa nei i folkeavstemningen om EF i 1972. Regjeringen måtte gå av, ettersom statsminister Trygve Bratteli på forhånd hadde erklært at den ville fratre dersom den fikk resultatet mot seg.