林則徐是道光二十二年（1842）十月抵達戍所伊犁的。他在鴉片戰争中禁煙抗英，堅決抵抗外來侵略，卻遭到投降派的打擊，被谪發新疆。無罪而受重譴，林則徐的心情十分悲憤，但他的愛國意志并未是以消沉。到戍不久，他便着手研讀新疆的曆史地理，密切關注西陲的戍邊事業，尤其重視屯田備邊活動。
據與他同在當地的舊屬黃冕回憶，兩人見面時，所談“皆禦夷之事…及塞上屯田水利，中外地形，南北水土之勝，往往至夜分始散”。他手輯的《衙齋雜錄》一書，詳盡地摘錄了清代尤其是道光年間經營新疆屯田的成案資料，供自已從事屯墾時參考。道光二十四年（1844），布彥泰奏請墾複伊犁惠遠城東的阿齊烏蘇旗屯廢地，林則徐積極協助籌劃，還親自認修最艱巨的龍口首段水利工程。這一切為他後來履勘南疆，推動屯墾，提供了重要的曆史借鑒和實踐經驗。
盡管如此，對林則徐來說，南疆之行絕非易事。當時他巳年逾花甲，病體孱弱，而勘墾“事體既屬繁重，道路又複綿長”。特别是這次“周曆履勘”并非正式起用，他作為遣戍革員，既無相應頭銜，又無奏事之權，所謂“羁臣奉使原非分”，“頭銜笑被旁人問”，所面臨的困難和壓力可想而知。這一點連伊犁将軍布彥泰也有所顧慮。他之是以薦舉喀喇沙爾辦事大臣全慶與林則徐會辦此事，就是考慮“回子人等耳目本淺，林則徐雖系曾任大員，目下尚無品秩，得現任辦事大臣會同履勘，自覺呼應較靈”。但林則徐本人沒有畏縮，他以“但期繡壟成千頃，敢憚鋒車曆八城”的決心，勇敢地接受了這項使命。
道光二十四年（1844）十一月，林則徐由伊犁啟程，取道烏魯木齊轉赴南疆，次年二月在喀喇沙爾與全慶會合。兩人通力合作，開始了曆時半年的履勘活動。根據就近順道勘墾的原則，履勘的第一站為庫車，然後漸次而西，至烏什、阿克蘇、和聞、葉爾羌、喀什噶爾，最後向東折返，勘查喀喇沙爾。
為搞好查勘，切實推動當地的農業開墾，有利于國計民生，林則徐和全慶認真分析了屯墾形勢，認為勘墾的中心問題有三：“一系此項荒地是否可開，一系有無民戶可以招墾，一系招集回戶有無流弊”。而歸納起來，不外兩個基本環節，一是從生産的角度，相度山川水利，嚴格查核各城所報土地的可墾性，確定開墾落實；二是從經營的角度，實事求是處理新墾之地，采取适當的電種形式。“不敢稍有成見，亦絕不粉飾迎合”。兩個環節互相聯系，開墾是電種的前提，合理的電種方式又是開墾生産長期持久的保證。基于上述認識、他們始終抓住這兩個環節，全力加以解決。
清丈地畝是查核可墾性的第一步。各處荒地大多距城較遠，有些遠在二百裡之外，往返費時三、四天。林則徐總是不畏勞苦，深入實地，親視勘丈。逐段丈量的結果，證明各墾地不僅于原奏畝數無虧，不少還有盈餘。如庫車，“核與原奏六萬八千餘畝之外有赢無绌，土脈腴潤，易于發生”；阿克蘇“新墾荒地十一萬九千餘畝，除沙岡等處不堪耕種外，核與原麥十萬畝之數，尚餘地二千餘畝”；烏什原奏為八萬三千四百畝，“茲按四至通盤圍估”，扣除沙碛堿地，“尚有十萬三千餘畝”，進而落實并擴大了可墾面積。
“農田以水利為首務”。南疆各城坐落在沙漠邊緣的綠洲，雨澤稀少，人工灌溉更是開墾土地必不可少的先決條件。林則徐每到一地，都把水利條件列為考察重點，他的日記裡，“先勘水勢”“先觀水渠形勢”的記載比比皆是。不僅如此，他還利用自己豐富的治水經驗，幫助各城解決困難，完善水利設施。葉爾羌新墾地和爾罕，“地本膏腴”，但與西北、東南兩道大渠隔大小沙梁五道，“有阻遏滲漏之虞”。林則徐檢視當地試行挑挖的部分管道後指出，這裡的渠身為沙土質地，“壩工倍須堅固，挑工更要寬深”，應“于沙梁沖要之處砌護塊石，挖釘排樁，則沙土自不至坍卸入渠，而管道亦愈刷愈深，良田足資灌溉”（35）。喀什噶爾墾地所引用的銳列普曲克河之水，源遠流長，水量豐富，“惟水性渾濁，日久不免停淤”。林則徐敏銳地注意到這一點，提醒行關人員“所有渠工壩座，尚須加以歲修，乃可永資利用”。喀喇沙爾渠工原系署理辦事大臣常清籌劃，林則徐經查勘發現，其中庫爾勒一處的支渠“漏未估計”，便幫助重新規劃，将工程“略為變通，其大渠取直挑挖，即以所省之工添挖支渠”，完善了管道網系，又大大減省了工費支出。
為立足久遠，林則徐對渠工品質要求嚴格，容不得任何苟且湊合。他在庫車量驗所浚管道，發現“間有丈尺未敷”，立即“責成承辦之官吏、伯克等速再加挑，務令多為容納，以利灌輸”。阿克蘇朗哈裡克管道經查，“核與原奏裡數短欠，尚多樹株”，他毫不容情，督令如式修挖，并限期一年将地内樹株全部刨淨。對于吸取當地人民有效經驗的水利措施，則熱情地予以支援和推廣。如和阗墾地，除修築達瓦克大渠引玉河水灌溉，“複自洋阿裡克至達瓦克一帶覓得泉源五十餘處，接引入渠”，以便冬春河水消減時利用地下水補充水源。林則徐認為，這是使墾地“終年皆堪灌注”的好辦法，十分稱贊，并肯定地表示“是此項荒地實系可以開墾，并無格礙”。由于措施得宜，這些水利設施在此後相當長的時間裡一直為南疆屯墾發揮作用，直到清末，和阗達瓦克等渠工的大渠、支渠依舊存在。
在開墾計劃落實的基礎上，林則徐和全慶以主要力量研究拟定新墾之田的配置設定方案。從曆次谕旨當中，久任疆吏的林則徐早已洞悉道光皇帝的個人意向。但他拖着“明诏籌邊要至公”的态度，決心從南疆的具體實際和屯墾實效出發。在他看來，以往為了隔絕不同民族間的交往聯系，竭力阻撓内地人民進入回疆的作法固不可取，但如隻強調招集内地民戶興墾而完全忽視當地人民的屯種能力和需要，同樣偏頗不當。正确的态度是：“因地制宜，毫無成見，惟應給回戶者，仍不能強招民人”。隻要對當地生産和人民生活有利，不論民屯、回屯，都是适當的形式。
本照這一原則，林則徐對各城情形作了深入的調查，他所經曆的地方“不僅從來谪臣所未到，即武臣邊帥亦鮮有躬親周曆者”。根據所掌握的充分事實，進而提出将墾地“全部給回”、“民回兼顧”及“全部招民”三種設想。
一、“全部給回”，即如數撥給當地維吾爾農民墾種，主要是庫車、烏什、阿克蘇、和阗四城。林則徐在呈文裡詳盡地分析了它們各自的人戶構成狀況。
關于庫車，他指出；“回疆距内地甚遠，庫車尤屬偏小，非比伊犁、烏魯木齊等處，為邊外戶群眾多之區，即比之喀喇沙爾，亦更在千裡之遙。雖有内地民人，小本營生，隻能隻身到此，往來販運，去住無常。……今蒙撥地給種，原為有利可圖，但牛具籽種及一切人工資本無從設措，若向内地轉招農民，實系費無所出……是以伊等不敢承種，亦難轉招”。
阿克蘇是南疆大城，“内地之人在此處者為數多于他城，然皆未能攜眷。就中約分三種：其一系發遣人犯，現有六十餘名，此等本應重罪發給伯克為奴，自毋庸議；其一系傭趁遊民，約可招集百人，衹尋短工度日，即給以地畝，亦無耕種之資，誠恐糧欠身逃，非徒無益。其一系貿易商民，俱不谙農務，實不能再赴二百裡外兼顧耕田。
烏什、和阗在南疆均屬偏隅，烏什須由阿克蘇而入，和阗則由葉爾羌而入，道路不便，民人稀至，“即使設法招集，亦恐難以強緻。”而且和阗蠶棉并廣，以紡織為業者甚多，有恒産的回戶亦難兼營，“惟與新地較近之處以及無田、田少之人，則皆欣欣然希圖種”。
南疆地區民人稀少，有地理條件的限制，更有政策上的原因。但這種狀況并非一時所能改變。林則徐認為，既然眼下不能招民認墾，“若不酌給本地回子，地利未免抛荒”，“是原奏請給回子承種，系為因地制宜起見”，應予允準。
二、“民回兼顧”，即将墾地分别給予民戶和回戶耕種，主要是喀什噶爾和葉爾羌。
喀什噶爾和葉爾羌都是道光初年曾經招戶興屯之地，已有一定數量的民人在此定居。這次喀什噶爾所報墾地，分河東、河西兩處，該城官員初議全招回戶承種。
林則徐檢視後感到，“除河東之六萬七千餘畝與回莊處處毗連，兼無許多民戶可招”外，“其河西之一萬六千餘畝，與回莊尚有界限可分，若将該處地畝設法招民，或不至有不能相安之處”。遂決定分别處置，以河東地“分給回戶承種”，以河西地招募民戶，“多方勸導環城一帶承種官田之民戶，令其呼朋引類，庶可漸次招徕”。
葉爾羌新開墾地為城西七十裡處的和爾罕，另有巴爾楚克為舊有民屯。林則徐分析兩地情況指出，巴爾楚克位于葉爾羌、喀什噶爾的交通要路，“水泉甚足”，自道光十二年興辦民屯以來，陸續招戶，“而未種之地極多，并無回莊夾雜”，應繼續發展，“如目下有民可招，似應先盡巴爾楚克安置，以成巨鎮而藩籬”。至于和爾罕地畝，“地處偏隅，與回莊錯雜，招民認種既多未便，不若轉給回戶，轉可相安”。
三、“全部招民”，全招民戶承種的僅喀喇沙爾一處。
南疆八城中，喀喇沙爾的地理位置最偏東，是連接配接北路的通道，距關内及北疆烏魯木齊等地均較他城為近，民人來往較多。嘉慶年間這裡是八城中唯一招有民人電墾的地方。道光二十三年（1843）全慶到任後，以原有兵屯地畝及擴墾荒地全部改招民戶耕種，得戶六百餘，安置當年即行升科，事機極其順利。為此，林則徐與全慶議定，對二十四年（1844）以後續行勘出的一萬餘畝荒地，仍照前例繼續招民，發展戶屯，“劄委章京常壽速赴烏魯木齊等處認真招緻”。
林則徐等人所拟方案，充分考慮了南疆地區的實際情況，因地制宜，既有益于生産，也有益于民生，還能節省國家用于墾務的财政支出，應當說是正确積極、妥善可行的。然而上述意見并沒有立即得到朝廷應有的支援。
庫車地畝折稿是林則徐履勘中發出的第一份折稿，對于“給回給民的利弊得失，稿文有極透辟的剖析。但軍機處會同戶部的議複“雖已準予給回耕種，而語意甚為勉強”，“挑剔責備之處，不一而足。且強将糧賦定為按畝平分入官，其末後結穴，又慮及各處捐辦開墾有勒派苦累情事，不許遷就，仍令陸續招民”，實際是向他們表示異議。不久，道光皇帝又下令将阿克蘇大臣輯瑞“革職示懲”，理由是“并未先行查奏，率即興工，以緻回疆各城相率效尤”。
面對來自朝廷的壓力，林則徐沒有動搖，他堅決地表示，所有折稿“于六月初五日以前，由伊江全行奏出，此時勢難再改”。為使合理意見被采納，非但不改，還要再作一文，“縷析登答，聲請複奏”。由于他不避嫌疑地力為陳請，終于使這一方案獲準施行，“給回”地畝的科則也得到比較恰當的制定，由原來廷議的平分入官改為畝征五升，減輕了承種者的負擔。
林則徐履勘活動的圓滿成功，消除了興墾道路上的主要障礙，南疆地區很快出現全面興墾的空前盛況。到道光三十年（1850），不僅林則徐等勘報的地畝全數墾成，還開出續勘的上萬畝荒地，經過試種、減半征收，進入全行升科的正式耕種階段。據粗略統計，這次南疆各城共墾出土地六十三萬二千五百餘畝，其中庫車十三萬二千三百九十三畝，和阗十萬零一百畝，葉爾羌九萬八千餘畝，喀什噶爾八萬三千二百九十八畝，烏什十萬三千餘畝，阿克蘇十萬二千三百畝，喀喇沙爾一萬三千五百畝，有力地促進了當地的農業生産。
像這樣的開墾成績，無論規模、速度、地域範圍，在清代南疆屯墾史上都是前所未有的，就是與同期的北路各地相比，也堪居榜首。是以，清人金安清曾高度評價林則徐的南疆之行，稱贊他“浚水源、辟溝渠，教民耕作”，“大漠廣野，悉成沃衍，煙戶相望，耕作皆滿，……為百餘年入版圖未有之盛”。