Педро Вальдивия, спутник Альмагро-старшего, перешел затем на сторону Ф. Писарро и был послан в январе 1540 г. на завоевание Чили во главе отряда в 150 солдат и 1000 индейцев-носильщиков. С боями он продвинулся вдоль Береговых Кордильер до 33° ю. ш. Выйдя из зоны тропических пустынь, испанцы неожиданно оказались в плодородной местности. На берегу бухты они основали город, назвав его Вальпараисо («Райская долина»). Чуть южнее Вальдивия обнаружил великолепную долину р. Майпо и на ее среднем течении 12 февраля 1541 г. основал г. Сантьяго.
Вскоре крупный отряд индейцев напал на город и сжег его, в огне погибли почти все запасы продовольствия. Казалось, испанцы попали в безвыходное положение. В этой обстановке Вальдивия действовал решительно: он разделил солдат на две группы, и в течение трех лет одна с оружием строила, выращивала хлеб и разводила свиней, другая оборонялась и переходила в контратаки.
П. Вальдивия стремился освоить морской путь из Чили в Испанию через Магелланов пролив, западный выход из которого он ошибочно полагал у 42° ю. ш. Для исследования побережья Южного Чили в начале сентября 1544 г. он поручил генуэзцу Хуану Бау-тисте Пастене исследовать побережье к югу на 900—1200 км. На двух судах Пастене достиг 42° ю. ш. и действительно нашел там пролив (Чакао), но, исследуя его и соседние заливы, обнаружил, что они отделяют от материка большой о. Чилоэ (8,4 тыс. км2). Пастене положил, таким образом, начало открытию Чилийского архипелага. По возвращении он дал высокую оценку осмотренной части берега, но тогда испанцы еще не знали, что путь к этим областям преграждают арауканы. В 1545 г. Вальдивия прошел вдоль побережья до р. Био-Био (у 37° ю. ш.), но был отозван в Перу для подавления мятежа Г. Писарро. В 1547 г. он вернулся в Чили и начал войну против свободолюбивых арауканов, оказавших испанцам такое сопротивление, какого те нигде в Америке не встречали. Чтобы укрепиться в этом районе, 5 октября 1550 г. в устье Био-Био он заложил г. Консепсьон. Индейцы крупными силами напали на захватчиков, но были разбиты, 400 человек взято в плен. У каждого индейца Вальдивия приказал отрубить правую руку и вырвать ноздри. Тогда восстали все арауканы. В борьбе с ними конкистадор основал ряд новых городов, в том числе, продвинувшись до 40° ю. ш., г. Вальдивию (февраль 1552 г.).
Для ознакомления с восточным склоном Анд в начале 1553 г. Вальдивия направил 80 человек во главе с капитаном Франсиско Виллагрой. Отряд пересек горы примерно по 37° ю. ш. с меньшими трудностями, чем ожидалось, и вышел к большой реке (Рио-Колорадо?), стремительно текущей на восток. Несколько дней испанцы двигались по берегу и никак не могли обнаружить брода. Наконец, он был найден, но... охранялся группой индейцев. Ценою жизни двух испанцев отряд перешел на другой берег; нехватка продовольствия вынудила их вернуться.
П. Вальдивия между тем продолжал борьбу с арауканами. Одерживая над ними «победы», он поневоле учил их воинскому искусству, и они оказались очень способными учениками. Араукан Лаутаро под видом перебежчика год провел в его отряде, а затем, вернувшись к соплеменникам, стал их военным руководителем. В 1553 г. арауканы поочередно разбили несколько испанских отрядов, в декабре захватили в плен самого П. Вальдивию и казнили его.
Открытие Южного Чили продолжил до Магелланова пролива в 1558 г. Хуан Ладрильеро, который по приказу правителя Перу произвел первую опись «западного берега Патагонии». При этом он обнаружил архипелаг Чонос и п-ов Тайтао и впервые прошел с запада на восток Магелланов пролив.