Avec la Deuxième Expédition auxiliaire dans le Haut-Pérou, Arenales entra dans le Haut-Pérou et fut désigné gouverneur de Cochabamba. Après les défaites de Vilcapugio et d’Ayohúma, il tenta pendant un temps de défendre sa province, mais fut battu. Néanmoins, il se porta au secours d’Ignacio Warnes pour préserver la province de Santa Cruz de la Sierra. La guerre d’escarmouches qu’il mena ensuite se révéla tellement efficace que le général Joaquín de la Pezuela se vit contraint d’abandonner les provinces septentrionales argentines. De 1814 à 1816, Arenales resta à la tête de la "républiquette" de Vallegrande, dans l’actuelle Bolivie.