道光二十五年（1845）十一月初，道光帝賞林則徐三品頂帶，署（代理）陝甘總督。次年三月底，原陝西巡撫鄧廷桢病故任所，林則徐便授陝西巡撫，不過仍暫留甘肅，協助剛到任不久的陝甘總督布彥泰，續繼辦理“番案”（即青海藏民起義）。六月事平後，七月便來陝西上任。十一月，因病奏請開缺，得旨賞假3月。道光二十七年（1847）三月十六日，便擢升雲貴總督，離開陝西。計林則徐在陝巡撫任内，名曰1年，實為9個月，而真正工作不過半年。但這次卻是林則徐來陝中最主要的一次，時間最長，活動最多，影響最深。
林則徐在此期間的活動，最主要的有兩個方面，即赈災和鎮壓刀客。
（一）林任陝巡撫所做的第一件大事是赈災。
道光二十六年（1846）七月，林則徐到任時，正值陝西大旱。為了恢複和發展生産，幫助人民度過荒年，林則徐深入了解災情，采取了一些有力措施，主要有以下幾方面：
第一、平粜撫貧。在糧食短缺，糧價昂貴的情況下，林則徐提出平粜庫存糧食的措施。辦法是根據各家大小人口及缺糧情況，決定供應标準，填給印單，排定各鄉輪流購糧日期，憑單據實以平價購買，一次隻限購5日口糧。這樣做，既可避免購糧者過于集中，秩序混亂擁擠，又可制止和打擊投機倒把囤積射利之徒，穩定市場糧價，緩和災情。至于“極窮之民以及老幼廢疾”無力購買者，“官為收養，俾免餓殍在途”。
第二、當牛。由于大旱，許多有耕牛的農民無法下種，且值冬季農閑時節，耕牛多閑置無用，加上缺糧，故不少農民“多殺牛以食”。林則徐了解這一情況後，認為“如此則來歲又饑也”。為了制止這種作法，林則徐“饬官為收牛償其值，勸富民質牛予以息”。具體辦法是政府出錢收買農民耕牛，轉而抵押給富裕之家，并給予一定報酬。這樣就避免了濫殺耕牛的現象，保護了社會生産力，緩和了災情，并為恢複生産準備了必要條件，是以“次年乃大有秋”，效果是比較顯著的。
第三、緩征。是年陝西大旱，以關中、陝北較為嚴重，關中各州縣秋禾減産三至五不等。林則徐除對陝北的神木、府谷、佳州三州縣，“均于來春酌借籽種口糧，以資接濟”，其餘各地則根據災情輕重，分别予以緩征。緩征秋糧準“于來年秋後起征”。
（二）林任陝巡撫任内的第二件大事是鎮壓刀客。
所謂刀客者，乃“佩執刀械，三五成群”，常“睚眦細故，拔刀相向”，“每一招呼，百十為群”。刀客的活動，在一定程度上已有農民武裝抗稅、抗糧，反對封建統治的鬥争性質，在反抗清朝統治者和惡霸地主的壓迫剝削上，作出了一定的貢獻。是以清朝統治者，上自中央，下至地方，多次頒布鎮壓刀客的法令，進行鎮壓。出身地主階級而身為封疆大吏的林則徐，自然是身體力行，十分賣力的了。
道光二十六年七月，林則徐任陝西巡撫後，便上書皇帝，宣稱陝西“東北毗連晉豫，西南壤接川甘，道路紛歧，奸佞易于出沒。如佩執兇器之刀匪，此拿彼逃，最為民害”。并表示決心要把“除暴安良”、“嚴緝捕以靖地方”，作為接任陝西巡撫後的“首務”。
當時刀客的活動主要在關中地區，尤以渭南、富平、大荔、蒲城一帶最盛行。他們“有窩巢以為藏身之固，有器械以為抵禦之資”。是以“不獨兵役避其兇鋒”，即州縣營員亦“惜費憚勞”，“望而卻步”。林則徐上任後，對地方官吏兵勇的所謂“锢習”，首先是“剖析開導，務令極力破除”，增強他們“緝匪”的勇氣和信心，然後以“馬得沨糾衆奪犯傷差案”，從渭南刀客下手。此案原發生在五、六月間，七、八月林正式接任後，便“親提研鞫”，除判首犯馬得沨以斬刑、“就地正法”外，而将刀客趙恩科子、史雙兒等人，“不分首從，發雲貴兩廣極邊煙瘴充軍”。到是年底，由于林則徐積極督剿，在關中東部各縣，以及陝北的安塞等縣，又相繼緝獲146人，其中明确稱為“刀匪”的有46人，均從嚴懲處。對林則徐積極鎮壓刀客的行動，道光帝朱批“所辦甚好”，大加贊賞。
林則徐不僅積極剿滅刀客，而且在西甯還鎮壓過藏漢人民起義，以後又在雲貴鎮壓過回民起義。