Folkeavstemningen om norsk medlemskap i EF i 1972 gav flertall imot, i tråd med blant andre Senterpartiet og Vårviks syn, og Trygve Brattelis første regjering gikk derfor av. Stortingspartiene som var imot norsk medlemskap (Senterpartiet, Kristelig Folkeparti og Venstre) fikk i oppdrag å danne ny regjering, med fremforhandling av en handelsavtale med EF som hovedoppgave, og 18. oktober 1972 kunne Vårvik tiltre som utenriksminister i Lars Korvalds regjering. Regjeringen hadde bare 38 av 150 representanter bak seg på Stortinget, ettersom Det Nye Folkepartiet med 9 representanter brøt ut av Venstre grunnet EF-saken i 1972. Som utenriksminister stod Vårvik sentralt i EF-striden, og etter hvert greide også regjeringen å forhandle frem en handelsavtale. Ved stortingsvalget 1973 fikk regjeringen, som ventet, ikke fornyet tillit, og Vårvik og resten av regjeringen gikk av 16. oktober 1973.