De retour à Buenos Aires, il organise la révolution unitaire du , à la suite de quoi il devient gouverneur de Buenos Aires (1828-1829). En , il capture et fait fusiller le gouverneur déposé Manuel Dorrego à Navarro. Après la Convention de Barracas, un accord avec Juan Manuel de Rosas, il se retire dans la Bande Orientale du Río de la Plata (actuellement l'Uruguay).
Mais en , Rosas réussit à réunir 17 000 hommes sous le commandement du général Manuel Oribe pour lui faire face, à la suite de quoi Lavalle, à la tête d'à peine 1 100 soldats, se retire en province de Santa Fe. Sa troupe est constamment poursuivie et Lavalle échoue dans toutes ses tentatives de réorganiser sa petite armée. Cette campagne se termine avec sa mort le lors d'une action d'une escouade d'une trentaine de fédéralistes de Rosas dans la ville de San Salvador de Jujuy, capitale de la province de Jujuy : il est assassiné dans une maison de Jujuy au petit matin.
Étrange parcours du corps de Lavalle
Mais sa dépouille est transportée en Bolivie par ses partisans afin d'éviter des outrages de la part des fédéralistes, ni que sa tête soit un trophée pour Rosas. Au cours de cette fuite, en Argentine, le corps est désossé. Ne sont conservés que ses os, son cœur et sa tête baignant dans un liquide conservateur. Il arrive en Bolivie le .
Ses restes sont alors déposés dans la cathédrale de Potosí en Bolivie.
En 1861, ses restes sont transférés au cimetière de la Recoleta à Buenos Aires. Près de la porte du mausolée, devant laquelle veille une statue de grenadier, a été apposée cette inscription :
« Granadero: vela su sueño y si despierta dile que su Patria lo admira. »
« Grenadier, veille sur son sommeil, et s'il se réveille, dis-lui que la Patrie l'admire. »