San Martín impulsó la formación del ejército de Chile, a semejanza del de los Andes, y aumentó los efectivos de las unidades con nuevos contingentes. La nueva formación se llamó Ejército Unido de los Andes y Chile; al finalizar el ario 1817 contaba con 8.000 hombres.
Lo mismo que había hecho desde Mendoza antes de la invasión de Chile, comenzó desde Santiago la guerra de zapa en territorio peruano con una buena cantidad de espías que le informaban de los acontecimientos de interés.
Un agente secreto suyo, el mayor Domingo Torres, debía tratar con el virrey un canje de prisioneros y aprovechar la oportunidad para obtener datos de la situación político-militar en Lima. En enero de 1818 estaba Torres de regreso y pudo informar que el 9 de diciembre había zarpado del Callao hacia Chile una fuerte expedición al mando de Mariano Osorio.
El virrey Joaquín de la Pezuela no parecía haber percibido todo el significado de la derrota de Chacabuco en el primer momento, pero cuando vio que la resistencia de Ordóñez en el sur se debilitaba y que los patriotas aumentaban su poder combativo, se dio cuenta de que la pérdida de Chile por los realistas podía significar la eliminación de España de todo el continente sudamericano, según expuso al ministro de guerra de España el 19 de setiembre.
Sin el dominio de las costas de Chile, con sólo el puerto del Callao, no sería efectivo el dominio del mar. Pezuela temió que los patriotas equipasen una escuadra y maniobrasen con ella por los puertos intermedios para tomar el ejército del Perú por la espalda, mientras que desde el Alto Perú se le empujaría hacia el norte. En base a ese temor, preparó una expedición a Chile, con un total de 3.276 hombres de todas las armas y 10 piezas de artillería, con armamento, además, para reclutar otros 2.000 hombres.
La expedición se hizo a la mar el 9 de diciembre para sorprender a San Martín, pero éste ya había sido informado por sus servicios de espionaje. El convoy lo formaban la fragata de guerra La Venganza y diez buques mercantes artillados con una tripulación de 398 hombres y 146 ca-ñones, al mando de Mariano Osorio.
Osorio se dirigía a Talcahuano, reuniría sus fuerzas con las de Ordóñez, atacaría a los patriotas en Concepción y embarcaría luego para desplazarse hasta cerca de Valparaíso, desde donde continuaría a marchas forzadas hasta Santiago antes de que los patriotas se preparasen para la defensa.
Pueyrredón escribió a San Martín desde Buenos Aires el 24 de diciembre de 1817:
"No ha habido más noticias de Aguirre que la comunicada en el anterior correo con copia de su carta (sobre las gestiones de los Estados Unidos) ; al fin ha de ser preciso hacer un esfuerzo para armar aquí los buques necesarios; ya habrá usted visto que con los 200.000 pesos apenas podría poner en el mar dos fragatas de a 32 piezas y con el mismo dinero se habrían armado aquí lo menos cuatro de igual fuerza. Yo veo ya perdida esta campaña por habernos faltado los buques, y si no queremos perder también la venidera, y que nos aniquilen las subsistencias de ese ejército es preciso buscar arbitrio para sacar del abismo 300.000 pesos y hacer aquí un armamento capaz de dominar esos mares; piense Ud. en esto, que es todo o el mayor de nuestros intereses actuales".
Lo cual muestra una total identificación de Pueyrredón con San Martín en el problema del dominio del mar.
El 16 de febrero de 1817,el general San Martín, mediante un bando, convocó a los habitantes de la ciudad de Santiago a un cabildo abierto con el propósito de que eligieran tres representantes, uno por cada una de las tres provincias en que estaba dividido el país: Coquimbo, Santiago y Concepción, y que estos posteriormente eligieran un Director Supremo que gobernara el país. La asamblea estimó innecesario este paso y eligió por aclamación, dos veces, como Director Supremo al general José de San Martín, quien agradeció el gesto pero no aceptó la designación pues manifestó que dedicaría todo su esfuerzo a terminar la guerra contra España liberando al Perú. Se llamó a una nueva asamblea para el día 16, la que también por aclamación designó como Director Supremo al brigadier don Bernardo O'Higgins. Una de las prioridades del Director Supremo fue organizar un ejército nacional, el Ejército de Chile, y para la formación de sus propios oficiales creó la Academia Militar la que posteriormente se transformaría en la Escuela Militar Bernardo O'Higgins. Al poco tiempo el ejército contó con 4700 efectivos. Las fuerzas realistas se atrincheraron en la ciudad de Talcahuano bajo las órdenes del coronel José Ordóñez.
Al tanto de los preparativos del enemigo, San Martín cuidó de la organización del Ejército Unido y lo concentró en el campamento de Las Tablas. El 11 de setiembre escribió a O'Higgins, antes de conocer la frustración del asalto a Talcahuano, aconsejándole el repliegue hacia el Maule. Después del desastre le volvió a exponer la necesidad de reunir todas las fuerzas y de librar una nueva batalla decisiva. "Divididos seremos débiles —decía—, unidos los batimos sin duda alguna".
O'Higgins evacuó Concepción y aplicó en su retirada la táctica de la tierra arrasada. El 15 de enero llegó la expedición de Osorio a Talcahuano; la retirada de los patriotas era ordenada, pero lenta; sólo después de cruzar el río Itata aceleraron la marcha sobre Talca, a donde llegaron el 20 de enero. Junto con el ejército había emigrado una masa de 50.000 personas llevando consigo el ganado y todo el grano que pudieron cargar; el resto fue incendiado para que no sirviese al enemigo. La región entre Concepción y el Maule quedó enteramente arrasada.
El 28 de enero todas las tropas de la división del sur habían cruzado el río Maule y trataban de instalar el campamento sobre el Lircay. San Martín había previsto que si las fuerzas patriotas se desplazaban hacia el sur, los realistas podían desembarcar en el norte, y si se concentraban en el norte el peligro podía venir del sur. Por eso quiso la concentración de fuerzas para responder a cualquiera que fuese la procedencia del peligro.
Osorio comprendió que el jefe patriota había adivinado sus propósitos, se desprendió de la escuadra y emprendió las operaciones sobre la capital desde Talcahuano, a través de un largo recorrido en que debía prever por un lado desgastes y por otro la concentración de las fuerzas patriotas para un golpe decisivo.
En actitud de espera, San Martín ordenó que la división del sur retrocediese hasta Camarico, a 26 kilómetros al norte de Talca; las tropas de Santiago se concentrarían en Las Tablas.
En el campamento dejó San Martín el mando a Antonio González Balcarce y fue a Valparaíso a inspeccionar personalmente las fortificaciones construidas en previsión, de las tentativas que hiciese el enemigo desde el mar. El 5 de enero marchó a San Fernando para dirigir la concentración de todo el ejército; hizo construir, además, puentes sobre los ríos Cachapoal, Tinguririca, Teno y Maipo.A mediados de febrero, San Martín captó la verdadera dirección de la ofensiva de Osorio y, tratando de atraerlo hacia el norte, dispuso que la división de O'Higgins retrocediese a Curicó mientras González Balcarce avanzaba hacia Rancagua.
El 28 de febrero el grueso de las fuerzas realistas había llegado a Linares, con una fuerte vanguardia de unos mil hombres al mando del mayor Campillo; ese mismo día el Ejército Unido se puso en marcha desde el campamento de Las Tablas hacia Chimbarongo, lugar prefijado por San Martín para la reunión. El 12 de marzo se reunieron las divisiones de O'Higgins y González Balcarce en ese lugar.
El 13 de marzo el Ejército Unido continuó la marcha y llegó a una legua de Curicó, ocupada por los realistas; se aprestó San Martín a ordenar el ataque a la plaza, pero en el curso de la noche fue abandonada, replegándose los realistas hacia el sur y llegando al río Lontué, cuyos vados cubrieron con partidas.Freire se adelantó el 15 con su escuadrón y chocó con las guerrillas enemigas alejándolas;cruzó el Lontué y tropezó con una columna de caballería al mando de Primo de Rivera, a la que obligó a refugiarse en Quechereguas; desde allí, contando con la superioridad del número, éste contraatacó y los patriotas tuvieron que retroceder.
El 16 de marzo, el Ejército Unido cruzó el Lontué y entró en Camarico al atardecer. El 19 se supo que Osorio se replegaba hacia Talca por el camino de Pelarco; el camino elegido por los patriotas era más largo y no se pudo interceptar el retroceso ni siquiera tomar contacto con él. Cuando el Ejército Unido llegó a Cancha rayada, los realistas habían formado su línea de combate apoyando la derecha en la salida de Talca y la izquierda en el río Claro.
Los ejércitos enemigos se encontraron, pues, frente a frente, con las partidas avanzadas en contacto; el Ejército Unido sumaba 7.000 hombres, con 33 piezas de artillería; Osorio disponía de 4.600 hombres y 14 piezas.
La superioridad patriota era evidente y Osorio comprendió que su situación no era favorable, con el río Maule a la espalda, sin posible retirada en caso de desastre. En una junta de guerra se propuso, en tales circunstancias, que se debía aprovechar la obscuridad de la noche para retroceder a la otra orilla del Maule y continuar la marcha hasta encerrarse en Talcahuano; pero Ordóñez hizo ver que el repaso del río con el, enemigo encima era imposible y propuso, en cambio, golpe audaz: un ataque sorpresivo nocturno al campamento patriota. Su proyecto fue admitido y se decidió realizarlo aquella misma noche.