Det kom overraskende på Brundtland da hun i 1974 ble bedt om å møte på statsministerens kontor uten å vite hvorfor. Hun ble spurt av statsminister Trygve Bratteli om å gå inn i regjeringen som miljøvernminister. Hun fikk igjennom flere vanskelige saker. Opprettelsen av Hardangervidda nasjonalpark med vern av de to uregulerte vassdragene Veig og Dagali møtte stor motstand internt i Arbeiderpartiet. Kraftutbygging og industribygging hadde vært viktig for Arbeiderpartiet siden 1945, men nå kom en ny generasjon som var opptatt av miljøvern. Miljødepartementet var opprettet i 1972, og Brundland ble den femte statsråden. Det ble betraktet som et «lett» departement, og Brundtland fikk to ganger spørsmål om å skifte til et «tyngre» departement, men valgte å bli. Under Bravo-utblåsningen i april 1977 fikk Brundtland vist sin store arbeidskapasitet og sin evne til å holde hodet kaldt. Hun tilbrakte mye tid på Sola der oljevernaksjonen ble ledet fra, og var over Ekofiskfeltet i helikopter for å ta utblåsningen i øyesyn. Brundtland imponerte i sin opptreden på pressekonferansene – som ble holdt på engelsk – med over 200 internasjonale pressefolk. Bravo-utblåsningen viste at oljevernberedskapen ikke var så god som den burde være, og det førte til at oljeleting utenfor Nord-Norge ble utsatt.