Nas eleições de 1970, concorre como candidato da coalizão de esquerda Unidade Popular (UP) e conquista o primeiro lugar, com 36,3% dos votos. Na Presidência, começa a reestruturar a sociedade segundo diretrizes socialistas, com um projeto de reforma agrária e nacionalização das indústrias que divide a opinião pública. Mantém a política democrática e respeita as liberdades civis e os processos do Legislativo.
Sob pressão norte-americana, o panorama político e econômico do país deteriora-se e, em 11 de setembro de 1973, as Forças Armadas dão um violento golpe de Estado que derruba o regime da UP e instala no poder o ditador militar Augusto Pinochet.
De acordo com a versão oficial, Allende mata-se no Palácio de La Moneda, sede do governo, durante a resistência às tropas do Exército que cercavam o edifício.
A versão de suicídio só foi aceita pela população do Chile - que acreditava em assassinato - em 1990, quando o corpo do ex-presidente é exumado de um túmulo sem identificação, examinado e sepultado na capital, Santiago.