I juni 2008 ble Brekk utnevnt til landbruks- og matminister i Jens Stoltenbergs rødgrønne regjering. Han la frem en stortingsmelding om landbrukspolitikken før jul i 2011. Våren 2012 kom det til brudd mellom regjeringen og bøndenes organisasjoner i forhandlingene om jordbruksavtalen. I juni 2012 gikk Brekk motvillig av. Han gikk tilbake til rollen som Senterpartiets parlamentariske leder.