Desde la obtención del apoyo político para su proyecto, San Martín emprendió los preparativos de la expedición.
El Director Supremo elevó el 1 de agosto a San Martín al grado de general en jefe del Ejército de los Andes.
El 5 de enero, después de un período de entrenamiento, El ejército se dirigió hasta Mendoza bajo el clamor de la multitud. Todos juraron fidelidad a la bandera color celeste y blanco.
San Martín guardó en secreto el punto por el cual el ejército cruzaría los Andes, y dejó correr falsos rumores para desorientar a los realistas.

Todo estaba listo en Plumerillo para hacer atravezar el ejército de 4000 hombres, con sus caballos, cañones, municiones y víveres para un mes. Dos divisiones, bajo el mando de los generales Miguel Estanislao Soler y O´Higgins atravezaron los Andes por el Paso de los Patos. Otra, dirigida por Juan Manuel Cabot hizo el cruce desde San Juan, por el Portezuelo de la Ramada para llegar a Coquimbo. Otro destacamento ligero pasaría por el paso de Vinchina para ocupar Copaipó. Al sur, el capitán Freyre pasaría por el Planchón para apoyar a la guerrilla chilena.

En el transcurso de la segunda mitad de enero, las diferentes divisiones se pusieron en marcha con instrucciones secretas. Las órdenes eran de aparecer simultáneamente sobre el territorio chileno entre el 6 y el 8 de febrero.

El cruce fue un triunfo. El 8 de febrero a las dos de la tarde, las dos principales columnas ocupaban las ciudades de Putaendo y Santa Rosa de los Andes, dejando libre la ruta hacia el Pacífico.

El 10 de febrero, todo el ejército de los Andes se encontraba reunido en el valle del Aconcagua, listo para escalar la cuesta de Chacabuco y enfrentar una batalla decisiva. El ejército realista se reunió con las tropas venidas de Santiago.
San Martín quería atacar a los realistas sin darles tiempo a reagruparse. Dividió sus tropas en dos columnas; una comandada por el general Soler y la otra por O'Higgins. El ejército realista era dirigido por Maroto.

Al amanecer del 12, las dos columnas comenzaron la ascensión de la cuesta de Chacabuco, Soler por la derecha y O'Higgins por la izquierda.
El ala izquierda se encontró con los realistas. El combate parecía indeciso hasta que las tropas de Soler llegaron a apoyarlos, ganando la batalla. Los realistas debieron huir, dejando 500 muertos, 600 prisioneros y muchas armas.

El 14 de febrero, San Martín entró triunfal en Santiago de Chile. El Congreso se reunió el 18 y proclamó al Libertador, Gobernador de Chile. Él renunció a este honor y O'Higgins fue elegido Director Supremo de Chile.

Esta victoria, la conquista de Chile, no podía más que alegrar a Buenos Aires, víctima de una situación difícil. Montevideo era ocupado por los portugueses, mientras que el Ejército del norte, bajo las órdenes de Martín Güemes, resistía mal que bien en Jujuy.
La victoria de Chacabuco iba a cambiar la situación. Los realistas comenzaron a replegarse. Los que podían escapar, se retiraron hasta la fortaleza de Talcahuano, en el sur de Chile. Ellos resistieron todo el año 1817.

Se creó entonces el Ejército Unido, formado por el de Chile y el ejército de los Andes. A O'Higgins se confió la parte chilena y San Martin devino General en jefe de todo el ejército.

San Martín sabía que no sería posible conquistar Chile y Perú sin dominación marítima. En efecto la costa era protegida por poderosos bastiones como Callao o Talcahuano.
Poco después de la batalla de Chacabuco, volvió a Buenos Aires para pedir al Director Supremo que envíe una misión a Londres, con el fin de conseguir una armada a fin de dominar las costas del Pacífico.