En 1965 su esposo la deja, quedando sola con su hijo en una situación económica y emocional muy comprometida, que la afectaría de por vida.
Yo no dejé ese matrimonio. Él me dejó. Me abandonó con Fabián, con mi chiquito (...) Una chica tucumana se casa para toda la vida. Eso me destruyó.
Mercedes Sosa.5
Mercedes Sosa se trasladó a Buenos Aires, una ciudad a la que amó y que terminaría considerando suya («para mí, aquí es Buenos Aires»).18 Allí grabó el segundo disco Canciones con fundamento, que al igual que su primer álbum, pasó inadvertido,9 pero que en el futuro se volvería el disco exponente del Nuevo Cancionero.
Pero fue en ese mismo año de 1965, poco antes de cumplir 30 años, que Mercedes Sosa alcanzó la consagración popular de manera impensada. Se desarrollaba la quinta edición del Festival Folklórico de Cosquín, que se había convertido en el centro del boom del folklore en Argentina, cuando el músico Jorge Cafrune, por iniciativa propia y en contra de los deseos de los organizadores, hizo subir al escenario a Mercedes Sosa, de entre el público donde se encontraba, presentándola con las siguientes palabras:
Yo me voy a atrever, porque es un atrevimiento lo que voy a hacer ahora, y me voy a recibir un tirón de orejas por la Comisión, pero que le vamos a hacer ―siempre he sido así, galopeador contra el viento―. Les voy a ofrecer el canto de una mujer purísima, que no ha tenido oportunidad de darlo y que como les digo, aunque se arme bronca, les voy a dejar con ustedes a una tucumana: Mercedes Sosa.
Jorge Cafrune, Cosquín, enero de 1965.
Mercedes subió al escenario y cantó Canción del derrumbe indio de Fernando Figueredo Iramain, acompañada solo por su bombo.19 Contrastando con la discriminación política, social y étnica a la que fue sometida por las autoridades, el público estalló en aplausos y vivas aún antes de que finalizara la canción, convirtiéndola en la sorpresa del festival:
Yo estaba en el ’65, cuando subió Mercedes Sosa a este escenario, invitada por Jorge Cafrune. Me acuerdo que Mahárbiz decía: «¿Quién es esa mina, con esa pinta de sirvienta? ¿Qué hace acá?» Y Mercedes se abrió paso, y encima con Canción del derrumbe indio, que ―con ingenuidad o no― es un canto sobre la conquista española.
Marcelo Simón.20
Yo siempre tuve problemas con la comisión, no sé por qué... En ese tiempo porque era comunista, sigo siéndolo, pero por entonces era mala palabra. Canté con una cajita, nomás. Tuve un éxito muy grande, y ahí ya me contrató la Philips para grabar. Fue una actuación muy importante en mi carrera. Es más, fue la definitiva.
Mercedes Sosa.21
El éxito de Cosquín le significó de inmediato un ofrecimiento del sello PolyGram para grabar un álbum ―su tercero― que salió en 1966 con el título de Yo no canto por cantar, con el que alcanzó una fama que nunca la abandonaría. El disco tiene en su portada un retrato de Carlos Alonso ―pintor mendocino adherente al Nuevo Cancionero― e incluye las bellas canciones «Zamba para no morir» (“Romperá la tarde mi voz...”, de Hamlet Lima Quintana) y «Zamba azul» (“Como un limpio amanecer era tu pollera azul...”, de Armando Tejada Gómez y Tito Francia). Por esa época lanzó con su voz la obra de los compositores tucumanos Pato Gentilini, el Chivo Valladares y Pepe Núñez, inmortalizando canciones como «Tristeza» de los Hermanos Núñez.


Mercedes Sosa junto a Félix Luna (de pie) y Ariel Ramírez (al piano), con quienes realizó álbumes destacados como Mujeres argentinas (1969), Cantata sudamericana (1972) y la Misa Criolla (2000).
En 1967, hizo una exitosa gira por los Estados Unidos y Europa. En 1968 lanza Con sabor a Mercedes Sosa con «La añera» (“Cuando se abandona el pago... tira el caballo pa’lante y el alma tira pa’trás”) de Arsenio Aguirre y Atahualpa Yupanqui, y «Al jardín de la República» (“Desde el norte traigo en el alma”) de Virgilio Carmona, un tema dedicado a Tucumán su provincia natal, con el que siempre se la identificaría.
En 1970 incluye en su disco El grito de la tierra el tema «Canción con todos» de Armando Tejada Gómez y César Isella, que ha sido considerado el himno no oficial de América Latina. En el mismo álbum se incluyen otras dos canciones de gran importancia en su repertorio como «Duerme negrito» (recopilación de Atahualpa Yupanqui) y «La pomeña» (de Gustavo Leguizamón y Manuel J. Castilla).
Sobre el cambio de década publicó tres discos conceptuales en colaboración con el compositor Ariel Ramírez y el letrista Félix Luna: Mujeres argentinas (1969), Navidad con Mercedes Sosa (1970) y Cantata sudamericana (1971), incluyendo en el primero la zamba «Alfonsina y el mar» y «Juana Azurduy».