St. Louis Cardinals 15 czerwca 1964 w ramach wymiany zawodników przeszedł do St. Louis Cardinals. Menadżer tego zespołu Johnny Keane przesunął Brocka na lewe zapole, pozycję, na której występował do końca kariery. Do końca sezonu uzyskał średnią 0,348 i skradł 33 bazy. Cardinals zdobyli pierwsze mistrzostwo National League od 1946 roku i pokonali w World Series New York Yankees 4–3. W finałach Brock wystąpił we wszystkich siedmiu meczach zaliczając 9 odbić na 30 podejść (0,300), w tym dwa double i home runa. W 1966 skradł najwięcej baz w lidze (74); w tej klasyfikacji zwyciężał jeszcze siedmiokrotnie, a w 1967 po raz pierwszy zagrał w Meczu Gwiazd. Sezon 1967 zakończył ze średnią 0,299 i ustanowił rekord kariery zdobywając 24 home runy. W World Series uderzał średnio 0,414 i ustanowił rekord finałów kradnąc siedem baz, a Cardinals pokonali Boston Red Sox 4–3.