Belgrano había aprovechado la victoria de Tucumán para reforzar el ejército a su mando. En cuatro meses logró mejorar la disciplina de las tropas, proporcionarles instrucción y reclutar suficientes efectivos como para duplicar su número. El parque y artillería abandonados por Tristán en la anterior batalla le había permitido organizarse con mucha mayor soltura. A comienzos de enero, buscando marchar tranquilamente para no fatigar a las tropas, emprendió la vanguardia la marcha hacia Salta. El 13 de febrero, a orillas del río Pasaje, el ejército prestó juramento de lealtad a la Asamblea Constituyente que había comenzado a sesionar en Buenos Aires pocos días antes, y a la bandera albiceleste diseñada por Belgrano. La bandera fue conducida por el mayor general Díaz Vélez, a quien llevaba en medio el coronel Martín Rodríguez y el general Belgrano escoltados por una compañía de granaderos que marchaban al son de música. La ocasión —cuya solemnidad fue empleada hábilmente por Belgrano, como lo había hecho en la bendición de la bandera en Jujuy antes del Éxodo Jujeño— dio lugar al rebautismo del río con el nombre de Juramento.
Tristán, entretanto, había aprovechado la ocasión para fortificar el Portezuelo, el único acceso a la ciudad a través de la serranía desde el sudeste; la ventaja táctica que esto le suponía hubiera hecho el intento imposible, de no ser por el superior conocimiento de la zona que los lugareños conscriptos aportaran. El capitán Apolinario Saravia, natural de Salta, se ofreció a guiar el ejército a través de una senda de altura que desembocaba en la Quebrada de Chachapoyas, que les permitiría empalmar con el camino del norte, que llevaba a Jujuy, a la altura del campo de la Cruz, donde no existían fortificaciones semejantes. Aprovechando la lluvia que disimulaba sus acciones, el ejército emprendió la marcha a través del áspero terreno, avanzando lentamente a causa de la dificultad de transportar los pertrechos y la artillería. El 18 se apostaron en el campo de los Saravia, ubicado en esa zona, mientras el capitán, disfrazado de indígena arreador, llevando mulas cargadas de leña hasta la ciudad, con la intención de informarse de las posiciones tomadas por la tropa de Tristán.
El día 19, gracias a la inteligencia de Saravia, el ejército marchó por la mañana con la intención de acometer las tropas enemigas al amanecer del día siguiente. Tristán recibió noticia del avance, y dispuso sus tropas nuevamente para resistirlo; alineó una columna de fusileros sobre la ladera del cerro San Bernardo, reforzó su flanco izquierdo, y organizó las 10 piezas de artillería con que contaba. En la mañana del 20 Belgrano ordenó la marcha del ejército en formación, disponiendo la infantería al centro, una columna de caballería — al mando de José Bernaldez Polledo — en cada flanco y una nutrida reserva al mando de Manuel Dorrego.
La herida de bala que al inicio de la batalla recibiera Eustoquio Díaz Vélez, segundo jefe de las fuerzas y jefe del ala derecha, mientras recorría la vanguardia de la formación, no fue obstáculo para que volviera al campo. El primer choque fue favorable a los defensores, ya que la caballería del flanco izquierdo encontraba dificultad para alcanzar a los tiradores enemigos por lo empinado del terreno.
Poco antes de mediodía, Belgrano ordenó el ataque de la reserva comandada por Dorrego sobre esas posiciones, mientras la artillería lanzaba fuego granado sobre el flanco contrario. Al frente de la caballería, condujo él mismo una avanzada sobre el cerco que rodeaba la ciudad. La táctica fue exitosa; columnas de infantes al mando de Carlos Forest, Francisco Pico y José Superí rompieron la línea enemiga y avanzaron sobre las calles salteñas, cerrando la retirada al centro y ala opuesta de los realistas. El retroceso de los realistas se vio dificultado por el mismo corral que habían erigido como fortificación; finalmente, se congregaron en la Plaza Mayor de la ciudad, donde Tristán decidió finalmente rendirse, mandando tocar las campanas de la iglesia de La Merced.
Un enviado a parlamentar negoció con Belgrano que al día siguiente los soldados abandonarían la ciudad en marcha, con honores de guerra, y depondrían las armas; Belgrano garantizaba su integridad y libertad a cambio del juramento de no empuñar nuevamente las armas contra los patriotas, un gesto inusual que ganó para su causa a no pocos de los combatientes enemigos. El mismo Tristán eventualmente tomaría el bando independentista en Bolivia. Los prisioneros tomados antes de rendición serían liberados a cambio de los hombres que José Manuel de Goyeneche retenía en el Alto Perú.
La generosidad de Belgrano, que abrazó a Tristán y lo dispensó de entregar sus símbolos de mando —los unía una estrecha amistad personal; habían sido condiscípulos en Salamanca, convivido en Madrid y amado allí a la misma mujer—, atraería sorpresa en Buenos Aires, pero la resonante victoria silenció las críticas y le granjeó un premio de 40.000 pesos dispuesto por la Asamblea. Belgrano declinaría recibirlo, disponiendo que el dinero se destinara a crear escuelas en Tucumán, Salta, Jujuy y Tarija; el libramiento de los fondos sería una deuda histórica durante 185 años, hasta que en 1998 finalmente se equipó en Tarija la última destinataria de los mismos.
La fosa común donde se enterraron los 480 caídos realistas y los 103 independentistas fue decorada por el gobernador Feliciano Chiclana con una cruz de madera y la inscripción "A los vencedores y vencidos". Hoy el lugar lo ocupa el monumento del 20 de febrero, proyectado por Torcuato Tasso y erigido en piedra de los cerros y un bronce alegórico. Los relieves que cubren los lados fueron diseñados por la también salteña Lola Mora. El monumento posee cuatro esculturas de bronce en honor a la actuación del general Manuel Belgrano, del mayor general Eustoquio Díaz Vélez, del teniente coronel Cornelio Zelaya y del comandante Manuel Dorrego.
El ejército de Belgrano continuaría camino hacia el norte, para hacer frente a las fuerzas de Joaquín de la Pezuela. Dos derrotas sucesivas, en Vilcapugio y Ayohuma, pondrían fin a la primera campaña del Ejército del Norte.
