孙承宗对此询问王在晋：“新城修筑好以后，是不是要将旧城的兵马移四万人来驻守？”王在晋说：“应该另外设立一支四万人的军队。这样一来，八里铺就有八万兵了，可是一片石西北不派兵驻守吗？在八里铺内修筑重关，新城后面就是旧城，旧城前面埋的地雷是用来对付敌人的，还是用来对付自己新兵的？新城可以守的话，还用得着旧城吗？新城要是不能守，四万守兵倒戈，你是打算开关放敌人进来，还是闭关投降敌人？”“如果这样的话，敌人兵临城下，士兵像先前那样逃跑，哪里还用得上重关？”孙承宗说：“准备在山上建三座营寨，防止士兵溃逃。”王在晋说：“士兵没有溃败就修筑营寨等待他们，你这是在教士兵逃跑吗？况且逃跑的士兵可以进来，敌人也可以尾随他们进来。你现在不为恢复做打算，却在这闭关自守，把关外防线全部撤离，还天天在朝廷争斗，京都以东还有安宁之日吗？”（三朝辽事实录的版本为“臣时执偏见谓经臣议，诚然，独是八里为两城，而旧城之坑壕空营当在三里之外，而新城之守卒法当四万。则四万之退步跟将及之，而一不戒，将城下之备尽为我设，北山南水既无旁出，而贼方拥此四万于旧城之下，开关延之不可，闭关谢之不可。将城上之备，又为我设，而城中惊溃无问也。经臣曰：于山建山寨三，以为退守计，而三道关俱可入。盖法云，置之死地而生。经臣言边兵善走也，即杀不能止，况大势散，谁复为杀者。故为两城以固其心，而实置之死以励其必死之气，臣遂无以应。”[6]）孙承宗无话可说，孙承宗于是召集诸将商议关外防守的问题。袁崇焕主张守宁远，阎鸣泰主张守觉华岛，王在晋主张守中前所。孙承宗采用袁崇焕的建议，并亲自镇守关门。而后明熹宗在孙承宗的建议下罢免了王在晋的辽东经略之职。

　　督师蓟辽
　　天启二年八月，孙承宗于是自请为督师，还让蓟、辽等原来的将领监管各处，见机行事时不必受到其他人的限制。孙承宗用阎鸣泰为辽东巡抚，又用鹿善继、王则古为赞画，并请求从国库带走八十万钱。皇帝朱由校同意后，亲自将孙承宗送出宫门，并赐给孙承宗尚方宝剑、坐蟒等，内阁大臣将孙承宗直送到崇文门外。
　　孙承宗上任后，让江应诏制定军事编制，让袁崇焕建造营房，李秉诚训练火器装备，鹿善继、王则古处理军需物资，沈棨、杜应芳维修甲仗，孙元化修筑炮台，宋献、程仑购买军马，万有孚采伐树木，祖大寿辅助金冠守觉华岛，陈谏助赵率教守前屯，鲁之甲拯救难民，杨应乾招募辽人编制成军队。
　　孙承宗发现先前关上的士兵没有纪律，而且有大量的不符合条件的人冒领军饷，于是孙承宗阅兵后，将河南、真定等地不符合条件的士兵全部遣回。将鲁之甲所拯救出的难民征召七千人出来去驻守前屯，杨应乾招募的辽人军队去镇守宁远，请求朝鲜声援辽东，又犒赏东江镇的毛文龙，让他四面防卫。并传令给沈有容进据广鹿岛。而后江应诏被弹劾，孙承宗请求让马世龙代替，并让尤世禄、王世钦为南北帅，听马世龙调遣。朱由校听从孙承宗的建议并赐给马世龙尚方宝剑。

　　登莱巡抚袁可立与孙承宗同为天启二年殿试同考官，共同主辽期间满人蜷伏。孙承宗将辽海防务委之于袁可立，十分倚重。他说道：“读后先大疏，皎皎揭日月，行中天而底里洞彻，殊令人可味，可展布四体，仰酬国恩”
　　（孙承宗《高阳集·答袁节寰登抚》）。
　　皇帝朱由校喜欢视察边关，经常派东厂的人到关门，然后将边关的事情上报给朝廷。魏忠贤掌权后派遣自己的党羽刘朝、胡良辅、纪用等四十五人带着数万武器装备来到关门，供给边关军队，又用白金十万，蟒、麒麟、狮子、虎、豹等银币赏赐将士，赐给孙承宗蟒服、白金等，表面上是慰劳军队，实际上是窥探军情。孙承宗出关巡视宁远，听到这个消息立刻上书给朱由校，说不能让宦官监军，但朱由校却回复说这没什么。使者到边关后，孙承宗只用茶水招待。

　　天启三年（1623年）孙承宗推荐阎鸣泰当辽东巡抚以后，认为他没有实际才能，所以军事上的事很多都不跟他商议，阎鸣泰因此感到不高兴，朝廷议论后，将阎鸣泰罢免，用张凤翼接替，但张凤翼胆小，又主张退守山海关。孙承宗对此感到不高兴，出关巡视宁远，召集众将开会，多数将领都想退守山海关，马世龙建议守中后所，袁崇焕等主张守宁远。孙承宗采用袁崇焕的主张，于是让祖大寿修建防御工事，令袁崇焕、满桂驻守宁远。

　　孙承宗担心自己的权利受到限制，上书朱由校说督师和总督不能同时设立，请求将自己罢免。朱由校于是终止总督的推选，令辽东巡抚移驻宁远，张凤翼觉得这是置自己于死地，与万有孚等诋毁马世龙。没过多久，万有孚被蓟州巡抚岳和声弹劾，张凤翼于是称马世龙和袁崇焕陷害，捏造谎话欺瞒朝廷，试图阻挠出关的计划。给事中解学龙也大力陈说马世龙的罪过，孙承宗非常生气，上书给朱由校说边关的防守策略，说宁远、觉华不能放弃，并为马世龙辩解，又揭发万有孚与张凤翼等勾结的罪状。

　　天启四年（1624年），宁远城修复，关外的守备器械也已建造完毕，孙承宗上书朱由校请求发军饷二十四万，这样就可以大举进攻了，但兵部和工部却横加阻挠，向朱由校进谗不能给钱，孙承宗上书催促无果，孙承宗大军因此没有出征。
　　孙承宗坐镇辽东的四年，与天津巡抚李邦华、登莱巡抚袁可立遥相呼应，“关门息警，中朝宴然，不复以边事为虑矣。”在这样相对安定的大背景下，按照战功来衡量，似乎孙承宗有些碌碌无为。然当时的兵部尚书王永光对孙承宗积极防御的一番作为作过很中肯的评价：“兵家有云，善战者，无赫赫之功！”孙阁老之所以打的都是小仗，是因为建奴知道他能打仗，再加上登莱两军镇袁军门的水军牵制，后金不肯贸然来碰他的霉头，所以两年下来，孙阁老和袁军门一直没有发动大战役的机会，而发动战略总反攻把后金赶出去的机会又不成熟。但反过来说，孙阁老在无形中为朝廷省下了许多军费，确保了山海关安然无恙，使明朝有了更多的机会养精蓄锐，充分显示了天朝的不战之威。”首辅孔贞运评价道：“公久历海上，凡地形险易，军储盈缩，将吏能否，虏情向背皆洞若烛照，故登莱终公（袁可立）之任销锋卧鼓。”（《兵部尚书节寰袁公墓志铭》）这也从另一方面肯定了孙承宗和袁可立积极防御之功。令人惋惜的是，正当孙、袁二公积数年之力准备大有作为组织大反攻之时，阉党已全面掌控局势，逼迫袁可立和孙承宗先后去职。

　　罢官归乡
　　而此时魏忠贤企图扩张权利，见到孙承宗功劳非常高，想要攀附，于是派刘应坤向孙承宗表明自己的意思。但孙承宗见到刘应坤之后与他一句话也不说，魏忠贤因此记恨孙承宗。魏忠贤迫害朝中大臣，将杨涟、赵南星、高攀龙等驱逐出京，孙承宗正在巡视蓟州一带，想到上反对奏书皇上未必会亲自阅览，于是以贺寿为由请求入朝面奏，借机弹劾魏忠贤。魏广微听说后将这个消息告诉了魏忠贤，说孙承宗打算以清君侧为由杀掉魏忠贤，魏忠贤于是跑到皇帝朱由校床前，哭着求情，顾秉谦也说没有圣旨私自离开防守的地方，不合法度。于是朱由校连夜召见兵部尚书，派三人骑快马阻止孙承宗。魏忠贤又假传圣旨给九门的宦官，若孙承宗到了齐化门，就将他绑了。孙承宗到达通州后，接到朱由校的旨意，只好返回辽东。魏忠贤又让党羽李蕃、崔呈秀、徐大化上书诋毁孙承宗。孙承宗于是请求罢官。

　　天启五年（1625年），给事中郭兴治请求朝中大臣讨论孙承宗的去留问题，很多人都弹劾孙承宗说他冒领军饷，而吏部尚书崔景荣支持孙承宗，朱由校于是下诏让孙承宗继续督师辽东，却让孙承宗精兵简将，减少军饷。而孙承宗刚刚派遣诸将分别驻守锦州、大小凌河、松山、杏山、石屯等地，扩张二百里，将尤世禄、李秉诚等将罢免，裁剪军队一万七千人，节省开支六十八万。