En enero de 1838 ascendió a Subteniente y dos años más tarde fue destinado al Batallón Valdivia.

Durante la Revolución de 1851, apoyó al gobierno de Manuel Montt Torres y al año siguiente ascendió a Sargento Mayor Graduado.

En 1858 ascendió a teniente coronel y fue nombrado comandante del 2.º de Línea.

Al estallar la guerra fue nombrado jefe del Estado Mayor General del ejército, realizando una notable labor de adiestramiento de las primeras tropas que se enviaron al norte.

Tras la salida de Erasmo Escala, hubo propuestas para nombrar a Villagrán como Comandante en Jefe pero finalmente el gobierno nombró a Manuel Baquedano (quien había llegado a general sin pasar por la escuela militar) en el cargo y Villagrán fue nombrado jefe de la primera división del Ejército, la que, según el plan, debía marchar 8 días desde Pisco hasta Lurín en una región seca e inhóspita para despejar las espaldas de las divisiones que desembarcarían en Lurín.