Setelah Golda Meir menjadi Perdana Menteri berikutan kematian Levi Eshkol, Moshe Dayan dikekalkan sebagai Menteri Pertahanan. Moshe Dayan adalah penyandang jawatan itu semasa negara-negara Arab melancarkan serangan pada 6 Oktober 1973 yang mencetuskan Perang Yom Kippur. Perang Yom Kippur bermula dengan keadaan getir untuk Angkatan bersenjata Israel. Agensi perisikan Israel termasuk agensi perisikan tentera (yang diletakkan di bawah tanggungjawab Moshe Dayan gagal mengesan persiapan dan persediaan yang dibuat oleh negara-negara Arab sebelum perang meletus. Perisik tentera dapat mengesan pergerakan Ketumbukan Ketiga Tentera Mesir sebelum serangan dilancarkan tetapi membuat kesimpulan pergerakan itu hanyalah persediaan untuk permainan peperangan yang sudah terjadual. Tambahan pula, penganalisis Israel menyangkakan negara–negara tidak akan berperang dalam bulan Ramadan Al Mubarak. Sebagai pegawai tertinggi terlibat dengan perancangan tentera, Moshe Dayan perlu memikul sebahagian tanggungjawab yang menyebabkan Israel tidak bersedia untuk Perang Yom Kippur. Beberapa jam sebelum serangan dilancarkan oleh tentera Arab, Moshe Dayan masih enggan menggerakkan pasukan tentera Israel ke tahap siaga yang lebih tinggi dan bersedia menghadapi serangan oleh Tentera Mesir dan Tentera Syria. Dayan menganggapkan bahawa walaupun diserang, Israel akan dengan mudah dapat mengalahkan tentera Arab. Tambahan pula, Moshe Dayan enggan Israel dilihat sebagai pihak yang memulakan perbalahan (aggressor) kerana ini akan menyebabkan Israel kehilangan sokongan daripada Amerika Syarikat. (Amerika Syarikat memberikan sokongan ketenteraan kepada Israel melibatkan penghantaran senjata dan bekalan perang melalui satu program angkutan udara yang besar melalui Operasi Nickel Grass. Oleh sebab kekurangan stok, Amerika Syarikat membenarkan pelepasan stok perang mereka daripada simpanan di Jerman untuk penghantaran ke Israel. Sokongan ini adalah kunci yang membawa kemenangan kepada Israel.)
Selepas kekalahan terus pada dua hari yang pertama Perang Yom Kippur, Moshe Dayan berputus asa dan mahu bercerita mengenai kejatuhan Saumaah Ketiga dalam satu sidang akhbar tetapi dilarang keras oleh Golda Meir. Moshe Dayan juga bercerita secara terang-terangan mengenai penggunaan senjata kemusnahan meluas (weapons of mass destruction) untuk menghapuskan orang-orang Arab. (Ini menguatkan pegangan bahawa Israel mempunyai senjata nuklear mulai tahun 1970-an. Kehilangan sebuah bom nuklear oleh Israel menjadi premis jalan cerita “Clear And Present Danger” tulisan Tom Clancy).)

Moshe Dayan melihat kepada beberapa pilihan, termasuk pilihan ekstrim melibatkan pengunduran ke Segenting Mitleh di Sinai dan pengunduran sepenuhnya daripada Bukit Golan di Syria supaya pertempuran boleh diluaskan ke Jordan. Ini bertentangan dengan doktrin pertahanan Israel yang menyatakan bahawa peperangan hendaklah dibawa ke wilayah musuh secepat mungkin.
Panglima tertinggi Israel David Elazar membantah keras opsyen yang dikemukakan dan membuat pilihan baru. Tindakan Elazar nyata tepat, dan Israel berjaya melepasi barisan pertahanan Mesir untuk menyeberangi terusan Suez dan mengasingkan dan mengepung Ketumbukan ke-3 Tentera Mesir (Egyptian 3rd Army). Serangan balas di Syria membolehkan tentera Jordan dan Syria dipaksa berundur sehinggakan pasukan artileri Israel boleh membedil Damascus. Ini memaksa Syria bersetuju dengan tawaran gencatan senjata oleh Israel. Moshe Dayan berjaya mengawal semula dirinya dan mengarahkan peperangan sehingga membawa kemenangan besar.
Selepas Perang Yom Kippur, Suruhanjaya Agranat dibentuk untuk mengenal pasti kelemahan persediaan Israel menghadapi Perang Yom Kippur, dan mendapati Golda Meir dan Moshe Dayan tidak boleh disalahkan ke atas keadaan kesediaan Israel semasa perang meletus. Sebaliknya Suruhanjaya ini menuding jari kepada kumpulan pegawai-pegawai perisikan termasuk Shmuel Gonen. Pelepasan tanggungjawab ke atas Golda Meir dan Moshe Dayan diikuti dengan bantahan ramai yang akhirnya memaksa Golda Meir dan Moshe Dayan meletakkan jawatan.