天啟二年（1622年）8月，赴遼東上任（山海關）。讓薊州、遼東、天津、登州、萊州原來的将領監管各處，見機行事不必受到其它人的限制。用閻鳴泰為遼東巡撫，又用鹿善繼、王則古為贊畫（參謀長）。讓江應诏制定軍事編制、讓袁崇煥建造營房，李秉誠訓練火器裝裝備，鹿善繼、王則古處理軍需物資，沈棨、杜應芳維修甲仗，孫元化修築炮台，宋獻、程侖購買軍馬，萬有采伐樹木，祖大壽輔助金冠守覺華島（今菊花島〉，陳谏助、趙率教守前屯（今綏中前衛鎮），魯之甲拯救難民，楊應乾招募遼人編制成軍隊。
孫承宗發現先前關上士兵沒有紀律，而且有大量的不符合條件的人冒領軍饷。于是孫承宗閱兵後，将河南、真定（今正定）等地不符合條件的士兵遣回。将魯之甲所拯救出來的難民去駐守前屯，楊應乾招募的遼人軍隊去鎮守甯遠，請求北韓聲援遼東，又犒勞東江鎮毛文龍，讓他四方守衛。并傳令沈有容進據廣鹿島（今長海縣廣鹿島鎮）。此時，江應诏被彈劾，孫承宗請求讓萬世龍代替，并讓尤世祿、王世欽為南北帥，聽馬世龍調遣，朱由校聽從孫承宗的建議并賜馬世龍上方寶劍。
登萊巡撫袁可立與孫承宗同為天啟二年殿試同考官，共同主遼期間滿人蜷伏。孫承宗将遼海防委之于袁可立，十分倚重。在答袁節寰登撫說：“讀後先大疏，皎潔揭日月，行中天而底裡洞徹，殊令人可味，可展布四體，仰酬國恩”。
朝廷有人重山海輕沿海，甚至有人請求裁撤登菜巡撫。但孫承宗認為“恢遼全着，必資于海”。“請求皇上敇該部分兩鎮汛地，酌給登鎮兵丁，敕登萊撫臣（袁可立）用心料理，仍令節制兩鎮，凡一應兵馬錢糧，征收調遣，防剿功罪盡歸經理。”
孫承宗去遼東後，閹黨獨掌握朝廷實權。魏忠賢經常派自己的黨羽劉朝、胡良輔、紀用等巡查邊關。表面上是慰勞部隊，實際上是窺探軍情，監視孫承宗。他上書朱由檢，說不能讓宦官監軍。孫承宗不拿使者當回事，來遼東隻用茶水招待。
由于閹黨挑釁，遼東将領有的提出退守山海關。馬世龍建議守中後所（今綏中縣城）孫承宗堅決主張守甯遠（今興城），讓祖大壽修建防禦工程，令袁崇煥、滿桂駐守甯遠（實踐證明是對的）。孫承宗也常駐甯遠。
天啟四年（1624年），在孫承宗的操勞下，甯遠城修複。可以說是遼西堅不可摧的城池（現儲存的完好）。遼東巡撫衙門移駐甯遠。後來，努爾哈赤攻甯遠城沒有攻下，受傷抑郁而死。