En 1940 fue designado cónsul general en México por el gobierno del Frente Popular. Viajó en el barco japonés "Racuyo Maru", junto a su amigo Luis Enrique Délano, nombrado también cónsul en la Ciudad de México.

A su llegada se instaló en la Quinta Rosa María, Barranca de los Muertos (Mixcoac), junto a Delia Del Carril , con quien contrajo matrimonio en 1943.

Durante sus tres años de residencia se concentró por completo en su trabajo literario. Terminó el Canto General de Chile, imprimiendo cien ejemplares para sus amigos, y escribió la mayoría de los poemas incluidos en la "Tercera Residencia" de Residencia en la tierra. Asimismo, participó activamente del ambiente intelectual mexicano. Entabló relaciones con Clemente Orozco, Diego Rivera, David Alfaro Siqueiros, Tina Modotti y también se reunió con intelectuales españoles asilados: Jorge Herrera Petere, Juan Rejano, Pedro Garfias, Lorenzo Varela, el cinematografista Eduardo Ugarte y el pintor Miguel Prieto.

Un episodio importante ocurrido en el ámbito literario fue la polémica y ruptura con Octavio Paz, la que dividió a los intelectuales entre "nerudistas" y "pascistas". Ambos escritores se dirigieron cartas públicas en las que expresaban su rechazo mutuo. Un ejemplo de ello es la siguiente misiva de Octavio Paz: "El señor Pablo Neruda, cónsul y poeta de Chile, también es un destacado político, un crítico literario y un generoso patrón de ciertos lacayos que se llaman 'sus amigos'. Tan dispares actividades nublan su visión y tuercen sus juicios: su literatura está contaminada por la política, su política por la literatura y su crítica es con frecuencia mera complicidad amistosa. Y, así, muchas veces no se sabe si habla el funcionario o el poeta, el amigo o el político" (Paz, Octavio. Respuesta a un cónsul. Letras de México, 15 de agosto, 1943, p. 5).

Mientras permanecía en México, fue invitado en 1942 a Cuba por José María Chacón y Calvo, Director de Cultura del Ministerio de Educación. Ese mismo año fue suspendido un mes de sus labores por un conflicto interno con el gobierno de Chile. Se dice que otorgó una visa chilena sin autorización al pintor comunista David Alfaro Siqueiros, oscuramente vinculado al asesinato de Trosky, huésped de México. En ese mes aprovechó de ir a Guatemala, donde entabló amistad con Miguel Ángel Asturias.

Regresó a Chile en 1943 y fue despedido por los mexicanos en el estadio El Frontón México. Además, la Universidad de Morelia le concedió el título de Doctor Honoris Causa.

A su vuelta, estuvo dos meses viajando con Delia del Carril por Latinoamérica. Juntos visitaron las ruinas de Macchu Picchu, que en ese tiempo aún no estaban habilitadas para el turismo. Esta visita fue muy importante, porque inspiró el futuro poema "Alturas de Macchu Picchu".