La campaña al Alto Perú

Castelli no fue bien recibido en Córdoba, en donde los fusilados eran populares, pero sí en San Miguel de Tucumán. En Salta, pese a ser bien recibido, tuvo dificultades para obtener tropas, mulas, víveres, dinero o artillería. Asumió el mando político de la Expedición, desplazando a Hipólito Vieytes y reemplazó a Ocampo por el coronel Antonio González Balcarce. En Salta recibió noticias de que Cochabamba había adhirido al movimiento patriótico, aunque enfrentando fuerzas realistas provenientes de La Paz. Tenía también en su poder una carta de Nieto para Gutiérrez de la Concha, ya fusilado, donde relataba que un ejército realista dirigido por Goyeneche avanzaba sobre Jujuy. Balcarce, ya en Potosí, fue derrotado por las fuerzas de Nieto en Cotagaita, lo que motivó a Castelli a enviar doscientos hombres y dos cañones a marchas forzadas para reforzarlos. Con dicha guarnición Balcarce logró la victoria de Suipacha, que les permitió controlar todo el Alto Perú sin oposición. Entre los hombres enviados, reclutados en Salta y Santiago del Estero, se encontraba Martín Miguel de Güemes, un ex oficial de los Húsares de Buenos Aires que más tarde se convertiría en un caudillo de la lucha independentista en la región.
En la Villa Imperial, uno de los sitios más prósperos del Alto Perú, un cabildo abierto reclamó a Goyeneche que se retirase del territorio, a lo cual debió acceder ya que no contaba con las fuerzas suficientes para imponerse. El obispo de La Paz, Remigio La Santa y Ortega, huyó junto a él. Castelli fue recibido en Potosí, en donde exigió a la Junta un juramento de obediencia y la entrega de los generales realistas Francisco de Paula Sanz y José de Córdoba, que fueron fusilados. Para capturar a Vicente Nieto decidió que la operación fuese llevada a cabo exclusivamente por los patricios sobrevivientes de Potosí, que habían sido incorporados con honores al ejército patriota. Por su parte, Goyeneche y el obispo paceño también fueron condenados legalmente, pero la sentencia no llegó a ejecutarse ya que se encontraban a salvo en tierras realistas. Bernardo Monteagudo, preso en la Real Cárcel de la Corte de Chuquisaca por su participación en la revolución de 1809, se enteró del acercamiento del ejército y logró fugarse para poder unirse a sus filas. Castelli, que ya conocía los antecedentes de Monteagudo, no dudó en nombrarlo su secretario.
Instaló su gobierno en Chuquisaca, desde donde presidió el cambio de régimen en toda la región. Proyectó la reorganización de la Casa de Moneda de Potosí, planeó la reforma de la Universidad de Charcas y proclamó el fin de la servidumbre indígena en el Alto Perú, anulando el tutelaje y otorgándoles calidad de vecinos y derechos políticos iguales a los de los criollos. También prohibió que se establecieran nuevos conventos o parroquias, para evitar la práctica frecuente de que, bajo la excusa de difundir la doctrina cristiana, los indios fueran sometidos a servidumbre por las órdenes religiosas. Autorizó el libre comercio y repartió tierras expropiadas entre los antiguos trabajadores de los obrajes. El decreto fue publicado en castellano, guaraní, quechua y aimara; y también se abrieron varias escuelas bilingües. Festejó el 25 de mayo de 1811 en Tiahuanaco con los caciques indios, donde rindió homenaje a los antiguos incas, incitando a los pobladores a revelarse en contra de los españoles. Sin embargo a pesar del acogimiento recibido, Castelli era consciente de que la mayor parte de la aristocracia lo apoyaba debido al temor que les provocaba el ejército auxiliar, más que por un auténtico apoyo a la causa de Mayo.
Las órdenes recibidas de la Junta fueron ocupar con criollos todos los cargos de importancia, y quebrar la alianza entre la élite criolla y la española. Entre otras, se le ordenaba que no quede un solo europeo, militar o paisano, que haya tomado las armas contra la capital.
En noviembre de 1810 envió a la Junta un plan: cruzar el río Desaguadero, frontera entre ambos virreinatos, y tomar el control de las intendencias peruanas de Puno, Cuzco y Arequipa. Castelli sostenía que era urgente sublevarlas contra Lima, ya que su economía dependía en gran medida de dichos distritos y si perdía su poder sobre ellos, el principal baluarte realista se vería amenazado. El plan fue rechazado por considerárselo demasiado temerario y se le requirió a Castelli atenerse a las órdenes originales. Castelli obedeció lo ordenado.
En diciembre desterró a Salta a 53 españoles y sometió la decisión a aprobación de la Junta. El vocal Domingo Matheu, que tenía tratos comerciales con Salvador Tulla y Pedro Casas, gestionó la anulación del acto, aduciendo que Castelli habría actuado influído por calumnias y acusaciones infundadas. "'(...) siento que por cuatro borrachones se tratase de descomponer una obra tan grande como la que tenemos para coronar (...)".[ ]En cambio, el doctor Juan Madera, integrante del ejército de Castelli, no compartió el criterio de la Junta: "(...) sucedió que fueron perdonados y mandados volver a Potosí por orden del gobierno de Buenos Aires contra el sentimiento de todos los buenos patriotas y con notable perjuicio de la causa pública; pues en el mes de mayo de 1811 formaron éstos una horrorosa conspiración, en que fueron sorprendidos en el lugar que llaman el Beaterio de Copacabana, habiendo hecho fuego y resistencia y estos individos no se castigaron"
El apoyo a Castelli comenzaba a bajar, principalmente por el trato dado a los indios y la decidida oposición de la iglesia, que atacaba a Castelli a través de su secretario Bernardo Monteagudo y su público ateísmo. Tanto los realistas de Lima como los saavedristas en Buenos Aires los comparaban a ambos con Maximilien Robespierre. El Dean Funes los consideraba "esbirros del sistema robesperriano de la Revolución francesa".
Castelli también abolió la mita en el Alto Perú, un proyecto que era compartido por Mariano Moreno, pero por entonces Moreno ya había sido alejado de la Junta, que con la incorporación de los diputados del interior se transformó en la Junta Grande. Sin que Castelli estuviera en Buenos Aires para mediar entre ellos, las disputas entre morenistas y saavedristas habían recrudecido. La Junta le reclamaba a Castelli que moderara sus acciones, pero éste siguió adelante con las posturas que compartía con Moreno. Varios oficiales saavedristas — entre ellos José María Echaurri, José León Domínguez, Matías Balbastro, el padre capellán Manuel Antonio Azcurra y el sargento mayor Toribio de Luzuriaga — planearon secuestrar a Castelli y Balcarce, remitirlos a Buenos Aires para juzgarlos y otorgar el mando del Ejército del norte a Juan José Viamonte. Sin embargo, el propio Viamonte no se prestó a dicho plan cuando le fue informado por los complotados y no llegó a intentar ejecutarse. Les escribió a Vieytes, Rodríguez Peña, Larrea y Azcuénaga solicitándoles que viajen al Alto Perú y que tras la derrota de Goyeneche marcharían sobre Buenos Aires, pero la carta fue enviada por el servicio de postas y el jefe de correos de Córdoba, don José de Paz, resuelve enviársela a Cornelio Saavedra.