San Martín llevó su ejército a mitad del camino entre Callao y Lima, pero no quiso entrar en la ciudad hasta que se lo pidiese la población de la capital. Después que una diputación patriota llegó al campamento del libertador a pedirle que pusiese la capital bajo su protección, el 9 de julio entraron las primeras tropas patriotas en Lima; el 10 por la noche entró San Martín mismo, eludiendo toda demostración. .
Pronto quedó reabierto el comercio, fueron restablecidos los tribunales de justicia y se prohibió la persecución la de los españoles, cuyo número era dominante en Lima; los símbolos reales fueron reemplazados por el escudo nacional ideado por San Martín para el Perú independiente. El orden fue restablecido y la ciudad recuperó su ritmo normal, el virrey no fue perseguido en su retirada a la sierra, y quizá habría podido ser aniquilado en el largo trayecto que debía hacer sin la posibilidad de un apoyo.
San Martín convocó el 14 de julio, por intermedio del Cabildo, a una junta de vecinos para que decidiese sobre la independencia; las personas más conspicuas de la ciudad se pronunciaron de inmediato por la independencia del Perú de la dominación española y de cualquier otra dominación nación extranjera. La ceremonia formal de la proclamación y jura de la independencia se realizó el 28 de julio de 1821, con asistencia del pueblo, de las corporaciones civiles y religiosas y tropas del ejército libertador. Desde un tablado levantado en la plaza Mayor, San Martín desplegó la bandera peruana que había creado y expresó que el Perú era desde ese momento libre e independiente por la voluntad de los pueblos y la justicia de la causa.
Había que formar un gobierno propio; el Perú había sido sometido férreamente al dominio virreinal y primaba allí, en mayor grado que en Chile y en Buenos Aires, el sentido de casta; no se había roto el rigor que impedía la formación de minorías patriotas con ideas revolucionarias definidas como para que, llegado el momento, asumiesen la dirección de la cosa pública. Los problemas pendientes, además, imponían la continuación de la guerra al mismo tiempo que la organización del nuevo Estado, la mitad de cuyo territorio estaba todavía en manos del enemigo.
El pueblo limeño pidió con insistencia a San Martín que se hiciese cargo del gobierno, y esta vez aceptó el poder como Protector del Perú, dejando constancia, sin al embargo, en una proclama del 3 de agosto, que solamente mantendría ese cargo hasta la terminación de la guerra; el en ese momento lo entregaría al gobierno que el pueblo Je peruano eligiese libremente. Designó ministro de hacienda al peruano Unanue, de relaciones exteriores a García del Río, de guerra y marina a Monteagudo; la jefatura del departamento de Lima fue confiada a José de la Rivas Agüero; el mando del ejército quedó a cargo del general Las Heras. Todas estas medidas fueron comunicadas al gobierno de Chile y recibieron plena aprobación.
El estatuto que dictó en 1821 contenía esta cláusula que refleja su concepción americanista:
"Son ciudadanos del Perú los que hayan nacido o nacieren en cualquiera de los Estados de América que hayan jurado la independencia de España".
El gobierno realizó algunas persecuciones contra españoles no afectos a la causa de la independencia, incluso contra el arzobispo de Lima, inspiradas por Torre-Tagle, que persuadió a San Martín de que dichas personas realizaban trabajos de zapa para minar la opinión y provocar defecciones en las tropas. Dada la vinculación de la población limeña, esas medidas no dejaron de producir rozamientos y disgustos.
Las tropas realistas abandonaron Lima al darse cuenta que eran débiles frente al ejército patriota, un grupo se encerró en la Fortaleza del Real Felipe y el otro grupo marchó hacia la sierra. La ciudad de Lima quedó sin protección de las autoridades españolas y a merced de los ataques de los montoneros. José de San Martín ingresó a Lima la noche del 12 de julio de 1821. Al saber que estaba cerca de Lima fue visitado por un par de frailes que lo quisieron saludar como si se tratara de un virrey. La noticia se difundió rápidamente en toda la ciudad y los curiosos comenzaron a llegar, Don José de San Martín decidió cambiar de alojamiento para evitar más visitas y aceptó hospedarse en la casa del marqués de Montemira ubicada camino al Callao en los extramuros de la ciudad.
Mientras tanto continuaban las operaciones del sitio del Callao. Las Heras se estableció en Bella Vista; sus avanzadas se encontraban a dos kilómetros de los fosos de la fortaleza y rechazó todas las tentativas de la guarnición para romper el cerco, que completaba Cochrane por mar.
Los sitiados comprendieron que su resistencia no podía prolongarse mucho y resolvieron destruir las unidades de la flota antes de que cayesen en poder del enemigo. El 10 de julio hundieron la corbeta Sebastiana. Cochrane propuso a San Martín un ataque por tierra para tomar la plaza, pero éste no creyó en el éxito de la operación, y además no la consideraba necesaria, pues la falta de víveres obligaría a los defensores a capitular.
En la noche del 24 de julio Cochrane dio otro golpe de mano como el que terminó con la captura de la Esmeralda; destacó al capitán Crosbie con un destacamento distribuido en ocho botes. Aunque éstos fueron descubiertos y cayeron bajo la acción de la artillería y la fusilería de los castillos de la fortaleza, se apoderaron de los transportes San Fernando y Milagro y de otras embarcaciones menores. Habiendo observado Las Heras que los defensores de la fortaleza dejaban los puentes levadizos bajos, intentó a de la flota antes de que cayesen en poder del enemigo. El 10 de julio hundieron la corbeta Sebastiana. Cochrane propuso a San Martín un ataque por tierra para tomar la plaza, pero éste no creyó en el éxito de la operación, y además no la consideraba necesaria, pues la falta de víveres obligaría a los defensores a capitular. Mientras tenía lugar esta operación, Cochrane, convencido de que los caudales de los españoles se encontraban en la fortaleza, trató de entenderse con el general José La Mar, proponiéndole que le entregase los castillos y la tercera parte de los caudales a cambio de ciertas concesiones; la proposición fue enérgicamente rechazada. Cochrane obraba con entera independencia de San Martín y su conducta produjo desavenencias que llevaron inevitablemente a la ruptura.
Juan Gregorio de Las Heras desde el campamento Huaura hizo varias cortas expediciones hacia los alrededores de Lima. Tras la caída de Lima, la capital virreinal en manos de los patriotas, dirigió el sitio del puerto y fortaleza del Callao, la cual se demoró cuarenta días en capturar.