A pesar de haber acumulado una fortuna significativa por su participación en el Perú, su espíritu intranquilo lo llevó a iniciar un viaje a Chile, para dejar gloria y fama de sí. En abril de 1539, Pizarro le dio autorización como su teniente de gobernador para pasar a conquistar Chile, pero eso no implicaba ayuda monetaria, tenía que procurarsela por su cuenta. Se asoció con el comerciante Francisco Martínez Vegaso, con el capitan Alonso de Monroy y así mismo debió celebrar contrato de compañía con Pedro Sanchez de la Hoz, antiguo secretario de Pizarro, que venía de regreso de España con la autorización del rey para explorar las tierras del sur del estrecho de Magallanes y el título de gobernador de las tierras que allí descubriese.

Después de la fracasada expedición de Almagro, nadie quería ir a Chile, considerada una tierra maldita que no ofrecía riquezas, sino sólo sufrimientos. Consiguió solo once soldados para su hueste, mas una mujer, Inés Suarez, y unos mil indios auxiliares. A lo largo del camino se le unirían mas expedicionarios, como Francisco de Villagra y Francisco de Aguirre que junto a sus hombres incrementaron las huestes de Valdivia.
Al contrario de Diego de Almagro, tomó la ruta por el desierto de Atacama. Sanchez de la Hoz, que se había quedado en el Perú tratando de conseguir refuerzospactados, lo que no consiguió llenandose de deudas, llegó al campamento de Valdivia por la noche y lo intentó asesinar para usurpar la jefatura de la hueste.
Pero Valdivia se encontraba ausente, y a su regreso perdona a Sanchez de la Hoz y destierra a tres de sus cómplices, obteniendo a cambio la renuncia de este a todo derecho de expedición y conquista.
Al llegar al valle de Copiapó, toma solemne posesión en nombre del rey de España de esta tierra y la nombra Nueva Extremadura, en recuerdo a su tierra natal. Renueva la marcha hacia el valle del Aconcagua, donde el cacique Michimalonko intentó detenerlo sin éxito. El 12 de febrero de 1541, echó las bases de la ciudad de Santiago del Nuevo Extremo a los pies del cerro Santa Lucía (Huelén en mapudungún) y encerrada entre los brazos del Mapocho. Trazó la ciudad en forma de damero, dentro de la isla fluvial dividen todo el terreno en manzanas, que se partieron a la vez en cuatro solares que se asignaron a los primeros vecinos. Al trazado y formación de la ciudad le siguió la creación del primer cabildo, organismo que ordenaba la vida pública en aquel entonces, importando el sistema jurídico e institucional español.
Comenzó a correr la voz de que los almagristas habían matado a Pizarro. De ser cierta la noticia, los poderes de teniente gobernador de Valdiviaquedaban caducados. Podría entonces venir otra persona del Perú a tomar mando de la naciente colonia y quedar en el olvido, entregandole las encomiendas de indios a advenedizos.
El cabildo consideró estos puntos resolvieron entregar a Valdivia el título de Gobernador y Capitan General en nombre del rey, que este rechazó inicialmente por motivos estratégicos de no quedar como traidor ante Pizarro por si seguía vivo, pero ante la amenaza de entregarselo a alguien mas, aceptó el título, el 11 de junio de 1541, siendo entonces el primer Gobernador de Chile.


Mapa de Santiago en 1552.
Valdivia organiza el primer reparto de encomiendas de indios entre los vecinos de Santiago. A pesar de que Chile no era rico en recursos minerales como el Perú, y no tenía una mano de obra indígena tan eficaz, se destinaron estos indios a atender las faenas del campo, a la construcción de casas y por sobre todo a los lavaderos de oro. Los primeros tiempos fueron duros, especialmente después del ataque del cacique Michimalonco, el 11 de septiembre de 1541, sobre la naciente ciudad, reduciéndola a un montón de escombros a causa de los incendios. Los indígenas aprovecharon la ocasión en que Valdivia y un grupo de conquistadores exploraban fuera de la ciudad para atacar. Quienes defendieron la ciudad en su momento dieron durabatalla y el resultado no fue peor gracias a la ayuda de Doña Inés de Suarez quien decidió darles muerte a los caciques prisioneros y lanzar sus cabezas a los atacantes sobre las empaladizas que rodeaban la ciudad.
Las hostilidades de los ataques se detuvieron, pero la ciudad casi destruida cayó en la miseria por lo que, para poder salvar la conquista de Chile, Valdivia mandó por auxilios al Perú a Alonso Monroy que sólo pudo regresar con la ayuda encomendada a fines de 1543, casi tres años después de la destrucción de la ciudad.
Valdivia Inició diversas obras de avance, entre las que se destaca la fundación de otras ciudades, comenzando por La Serena (1544). Luego Valdivia emprendió una campaña hacia el inexplorado sur, llegando a las margenes del río Bío-Bío, iniciando la guerra contra el pueblo Mapuche o Guerra de Arauco, la que es relatada por Alonso de Ercilla en su obra La Araucana (1576). Militarmente obtuvo importantes triunfos, como la batalla de Andalién y la batalla de Penco (1550). Estas grandes victorias permitieron a Valdivia establecer ciudades en territorios indígenas, como Concepción (1550), La Imperial, Valdivia (1552), Villarrica (1552), y Los Confines (1553). Ese mismo año la rebelión mapuche liderada por Lautaro en una trascendental batalla acabó con la vida de Valdivia en Tucapel en 1553.