Las relaciones entre Estados Unidos y Chile se deterioraron en la década de 1960 debido a la preocupación estadounidense por la izquierda chilena y al aumento de la nacionalización chilena de ciertas industrias, especialmente el cobre. La Alianza para el Progreso, firmada en 1961 por el presidente John F. Kennedy, fue diseñada para evitar la expansión del socialismo en el hemisferio. La Alianza permitía realizar inversiones monetarias en los países latinoamericanos que ayudaran a reforzar las infraestructuras, la educación y a defender los gobiernos democráticos, y Chile fue uno de los principales receptores de la ayuda. La perspectiva de la nacionalización de dos de las principales empresas chilenas del cobre, Anaconda y Kennicott -ambas propiedad de corporaciones con sede en Estados Unidos-, junto con el crecimiento del sentimiento socialista en todo el hemisferio, llevó a Estados Unidos a enviar de forma abierta y encubierta ayuda y asistencia al Gobierno chileno, así como a partidos políticos como el Partido Demócrata Cristiano (PDC).
En septiembre de 1964, el candidato del PDC, Eduardo Frei, fue elegido Presidente de Chile, superando al tercer candidato, Salvador Allende, del partido Frente de Acción Popular (FRAP). La campaña de Frei recibió fondos del gobierno de Estados Unidos para asegurar su elección. Su administración se centró en la mejora de la vivienda, la reforma agraria y el aumento del acceso a la educación. Frei también negoció un acuerdo con la compañía de cobre Anaconda sobre la nacionalización de las minas de cobre. Hubo muchas críticas al acuerdo con Anaconda, incluso dentro del PDC de Frei, y la nacionalización se convirtió en un tema importante en las elecciones presidenciales de 1970.
Los tres candidatos a la presidencia en las elecciones de 1970 fueron Radomiro Tomic por el PDC, el ex presidente Jorge Alessandri en representación del Partido Nacional (PN), y Salvador Allende, candidato del partido Unidad Popular (UP), una coalición de izquierdas que había sustituido al FRAP. El gobierno de Estados Unidos utilizó fondos encubiertos en Chile durante este periodo electoral, no para el uso de ningún candidato, sino para impedir la elección de Allende. El apoyo de Estados Unidos tuvo cierto impacto en las elecciones, pero aun así Allende recibió más de un tercio del voto popular. Alessandri también obtuvo más de un tercio de los votos, quedando por detrás de Allende por sólo un punto porcentual. Se programó una segunda vuelta en el Congreso chileno para el 24 de octubre de 1970.
Ni la administración de Richard Nixon, ni el actual Gobierno chileno, ni las empresas estadounidenses con negocios en Chile (Anaconda, International Telephone & Telegraph, Kennicott) deseaban una presidencia de Allende, por temor a sus simpatías comunistas. El Comité 40, el comité del Consejo de Seguridad Nacional de Estados Unidos que revisaba las propuestas de acciones encubiertas, celebró numerosas reuniones antes de la segunda vuelta electoral de octubre. El debate sobre si había que emprender acciones encubiertas para evitar una victoria de Allende y cómo hacerlo fue intenso. Al mismo tiempo, la cúpula militar chilena se había dividido en dos bandos distintos respecto a la viabilidad de un golpe militar: los que estaban dispuestos a dar un golpe militar, representados por dos facciones bajo el mando del general Roberto Viaux y el general Camilo Valenzuela, y los que (personificados por el general René Schneider) creían que cualquier intento de los militares de influir en las elecciones era inconstitucional. Tras dos intentos fallidos de los partidarios de Valenzuela de secuestrar a Schneider, Viaux realizó un tercer intento el 22 de octubre. El intento de secuestro salió terriblemente mal y Schneider recibió un disparo. Murió varios días después. No hubo más intentos por parte de los militares chilenos de influir en la próxima segunda vuelta electoral.
El 24 de octubre el Congreso chileno votó para elegir a Allende presidente por un amplio margen, y el 3 de noviembre juró oficialmente como presidente de Chile. Tras la toma de posesión de Allende, Nixon declaró que las relaciones de Estados Unidos con Chile continuarían, pero serían más frías que durante las administraciones anteriores. La administración temía que Allende creara un gobierno comunista en Chile. Los responsables de la política estadounidense también tomaron medidas para limitar severamente más créditos o ayudas a Chile.
El 21 de diciembre de 1970, Allende propuso una enmienda a la constitución chilena que autorizaba la expropiación de las empresas mineras. El Congreso chileno aprobó la enmienda de nacionalización el 11 de julio de 1971, y se convirtió en ley cinco días después. Este plan era único en América Latina debido a una cláusula que Allende había introducido que citaba la «toma de beneficios excesivos». Esto sostenía que las empresas mineras de propiedad extranjera ganaban exponencialmente más en Chile que otras empresas similares. Mientras que la expropiación de activos estadounidenses solía basarse en un porcentaje del valor de mercado, en este caso las empresas estadounidenses recibieron poco o nada de dinero por las minas nacionalizadas. Al mismo tiempo, Chile también obtuvo el control de la compañía telefónica chilena, de la que ITT era propietaria mayoritaria. Las relaciones entre los dos países se agriaron mientras las batallas por la nacionalización continuaron durante todo el gobierno de Allende.
Allende quería reformar la sanidad, la agricultura y la educación, y apostó por una mayor nacionalización de las empresas. Aumentó el porcentaje de granjas y empresas nacionalizadas. Los salarios aumentaron a lo largo de la administración y, durante los primeros meses, la inflación se mantuvo a raya. En apariencia, las reformas parecían tener éxito. Sin embargo, quedó claro que los éxitos no compensaban los problemas. El aumento de los salarios produjo un auge del consumo, y Chile tuvo que recurrir a las importaciones para satisfacer la demanda. El precio del cobre cayó, lo que afectó gravemente a la balanza de pagos del país. Además, el Gobierno chileno se estaba quedando sin fuentes de ayuda extranjeras.
Estos problemas llevaron a una serie de manifestaciones y huelgas entre 1971 y 1973. El 29 de junio de 1973, en medio de las protestas y huelgas generalizadas, el teniente coronel Roberto Souper lideró un fallido intento de golpe de Estado contra Allende. En un discurso radiofónico, Allende pidió al pueblo que apoyara su administración y ayudara a derrotar el golpe ilegal, y llamó al general Carlos Prats para que se ocupara de las fuerzas rebeldes. Prats, al igual que Schneider, creía que los militares debían permanecer apolíticos, y el golpe fue abortado a última hora de la mañana. Aunque Prats fue clave para detener el golpe, en agosto perdió el apoyo de gran parte del ejército. Prats fue sucedido como Ministro de Defensa y Comandante del Ejército por el General Augusto Pinochet el 24 de agosto de 1973.
Entre junio y septiembre de 1973, más protestas y huelgas paralizaron Chile. El 22 de agosto, la Cámara de Diputados acusó al gobierno de Allende de infringir numerosos artículos de la Constitución. Allende refutó las acusaciones, afirmando que sus acciones eran constitucionales. Para entonces, estaba claro que la disidencia en el ejército era galopante y que un golpe tendría éxito si era apoyado plenamente por los militares.
En la mañana del 11 de septiembre de 1973, los militares lanzaron otro golpe contra el gobierno de Allende. A las 9:10 de la mañana, Allende hizo su última transmisión desde el palacio presidencial, anunciando que no renunciaría a la presidencia y reuniendo a sus partidarios al grito de «¡Viva Chile! ¡Viva el pueblo! Vivan los trabajadores». Tras el discurso, Allende se unió supuestamente a la defensa del palacio, que estaba siendo fuertemente atacado. Una vez que quedó claro que los militares tomarían el palacio, Allende dijo a los defensores que se rindieran. Allende murió durante los últimos acontecimientos del golpe: su muerte se considera ahora un suicidio.
El 13 de septiembre, Pinochet fue nombrado presidente de Chile, tras lo cual desmanteló el Congreso e ilegalizó muchos partidos políticos de izquierda chilenos. La toma de posesión del gobierno puso fin a una historia de 46 años de gobierno democrático en Chile. En junio de 1975, Pinochet anunció que no habría futuras elecciones en el país. Aunque el gobierno de Estados Unidos se mostró inicialmente satisfecho por el golpe, aumentó la preocupación por las supuestas violaciones de los derechos humanos por parte del nuevo régimen.
Se sigue debatiendo si Estados Unidos prestó apoyo directo al golpe de Pinochet. Estados Unidos tenía un largo historial de participación en acciones encubiertas en Chile; había proporcionado fondos en apoyo de candidatos electorales, realizado campañas de propaganda contra Allende y había discutido las ventajas de apoyar un golpe militar en 1970. En 1975 se convocó una comisión del Senado para investigar la participación encubierta de Estados Unidos en Chile durante las décadas de 1960 y 1970. El informe concluyó que Estados Unidos había llevado a cabo acciones encubiertas en Chile durante esos años y que incluso había considerado una propuesta de Vía II, una acción encubierta destinada a organizar un golpe militar para evitar que Allende llegara al poder. Sin embargo, concluyó que había pocas pruebas para vincular al Gobierno de Estados Unidos con el apoyo encubierto al golpe de Pinochet.