Im Jahr 1824 trat O'Connor der Befreiungsarmee in Peru bei, und schon sechs Monate später ernannte Bolívar ihn zum Stabschef. Im August 1824 kämpfte er unter großen Widrigkeiten in der Schlacht von Junín und wählte später eine Hochfläche am "Condorcunca" für die entscheidende Schlacht bei Ayacucho aus. Im Jahr 1825 übertrug Antonio José de Sucre ihm die Schlussoffensive des Unabhängigkeitskrieges und die Verfolgung und Beseitigung von General Pedro Antonio Olañeta, dem letzten königstreuen Kommandanten im Widerstand.