孙承宗自请为督师，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。熹宗同意，命他以原官督理关城及蓟、辽、天津、登、莱各处事务，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，熹宗听从孙承宗的建议，并赐给马世龙尚方宝剑。
登莱巡抚袁可立与孙承宗同为殿试同考官，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”。朝廷有人重山海轻沿海，甚至有人请求裁撤登莱巡抚，但孙承宗认为“恢辽全着，必资于海。”请求“皇上敕该部分部两镇汛地，酌给登镇（沈有容）兵丁，敕登莱抚臣（袁可立）用心料理，仍令节制两镇，凡一应兵马钱粮、徵收调遣、防剿功罪尽归经理。”
熹宗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熹宗，说不能让宦官监军，但熹宗却回复说这没什么，使者到边关后，孙承宗只用茶水招待。
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，上书说督师和总督不能同时设立，请求将自己罢免。熹宗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。
宁远城修复，关外的守备器械也已建造完毕，孙承宗上书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，向熹宗说不能给钱，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！”
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。”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。
孙承宗与袁可立是很好的搭档，但从后来柳河之役的失败来看，袁可立的离任对孙承宗的军事行动有很大的影响。从战争结果看，袁可立的实战能力更强，在登莱缺粮少援的弱势状态下，竟然能在数月内组合优势兵力纵横海上，战线绵延上千里，调度两镇兵马多次奇兵突袭，以反间计策反后金女婿刘爱塔，连克金、复、盖三卫及旅顺、红嘴、望海、永宁等多堡要地，使后金数年间蜷缩一隅无以西窥。袁可立的登莱战区竟然成为了明清战争史上唯一主动出击叫战的正面战场，袁可立离任不久，孙承宗也因为柳河之败离职了。
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