De julho desse ano a julho do ano seguinte, ficou no Rio Grande do Sul, reunindo novos contingentes para o Exército. Em 1º de junho de 1867, é promovido a Tenente-General, penúltimo posto da hierarquia militar. Em 25 de julho, Osório retorna a vanguarda aliada, como comandante do III Corpo do Exército Imperial. Por essa época, o marechal de exército Luís Alves de Lima e Silva, então marquês de Caxias, encontrava-se como comandante das forças brasileiras no teatro de guerra. A relação entre ambos sempre foi boa e cordial já que eram amigos de longa data. Osório, inclusive, tomou parte no planejamento das operações contra a Fortaleza de Humaitá, que bloqueava o avanço das forças aliadas rumo a Assunção. No comando de suas tropas, Osório dirigiu a marcha de Tuiuti a Tuiu-Cuê, avançando contra as trincheiras e pontos fortes que circundavam Humaitá e a protegiam contra ataques. Em 25 de julho, Osório ocupa a Fortaleza de Humaitá e substitui a bandeira abandonada pela bandeira brasileira, instalando ali a sede do 3º Corpo do Exército e sua nova base de operações.