道光二十五年（1845）十一月初，道光帝赏林则徐三品顶带，署（代理）陕甘总督。次年三月底，原陕西巡抚邓廷桢病故任所，林则徐便授陕西巡抚，不过仍暂留甘肃，协助刚到任不久的陕甘总督布彦泰，续继办理“番案”（即青海藏民起义）。六月事平后，七月便来陕西上任。十一月，因病奏请开缺，得旨赏假3月。道光二十七年（1847）三月十六日，便擢升云贵总督，离开陕西。计林则徐在陕巡抚任内，名曰1年，实为9个月，而真正工作不过半年。但这次却是林则徐来陕中最主要的一次，时间最长，活动最多，影响最深。
林则徐在此期间的活动，最主要的有两个方面，即赈灾和镇压刀客。
（一）林任陕巡抚所做的第一件大事是赈灾。
道光二十六年（1846）七月，林则徐到任时，正值陕西大旱。为了恢复和发展生产，帮助人民度过荒年，林则徐深入了解灾情，采取了一些有力措施，主要有以下几方面：
第一、平粜抚贫。在粮食短缺，粮价昂贵的情况下，林则徐提出平粜库存粮食的措施。办法是根据各家大小人口及缺粮情况，决定供应标准，填给印单，排定各乡轮流购粮日期，凭单据实以平价购买，一次只限购5日口粮。这样做，既可避免购粮者过于集中，秩序混乱拥挤，又可制止和打击投机倒把囤积射利之徒，稳定市场粮价，缓和灾情。至于“极穷之民以及老幼废疾”无力购买者，“官为收养，俾免饿殍在途”。
第二、当牛。由于大旱，许多有耕牛的农民无法下种，且值冬季农闲时节，耕牛多闲置无用，加上缺粮，故不少农民“多杀牛以食”。林则徐了解这一情况后，认为“如此则来岁又饥也”。为了制止这种作法，林则徐“饬官为收牛偿其值，劝富民质牛予以息”。具体办法是政府出钱收买农民耕牛，转而抵押给富裕之家，并给予一定报酬。这样就避免了滥杀耕牛的现象，保护了社会生产力，缓和了灾情，并为恢复生产准备了必要条件，所以“次年乃大有秋”，效果是比较显著的。
第三、缓征。是年陕西大旱，以关中、陕北较为严重，关中各州县秋禾减产三至五不等。林则徐除对陕北的神木、府谷、佳州三州县，“均于来春酌借籽种口粮，以资接济”，其余各地则根据灾情轻重，分别予以缓征。缓征秋粮准“于来年秋后起征”。
（二）林任陕巡抚任内的第二件大事是镇压刀客。
所谓刀客者，乃“佩执刀械，三五成群”，常“睚眦细故，拔刀相向”，“每一招呼，百十为群”。刀客的活动，在一定程度上已有农民武装抗税、抗粮，反对封建统治的斗争性质，在反抗清朝统治者和恶霸地主的压迫剥削上，作出了一定的贡献。所以清朝统治者，上自中央，下至地方，多次颁布镇压刀客的法令，进行镇压。出身地主阶级而身为封疆大吏的林则徐，自然是身体力行，十分卖力的了。
道光二十六年七月，林则徐任陕西巡抚后，便上书皇帝，宣称陕西“东北毗连晋豫，西南壤接川甘，道路纷歧，奸佞易于出没。如佩执凶器之刀匪，此拿彼逃，最为民害”。并表示决心要把“除暴安良”、“严缉捕以靖地方”，作为接任陕西巡抚后的“首务”。
当时刀客的活动主要在关中地区，尤以渭南、富平、大荔、蒲城一带最盛行。他们“有窝巢以为藏身之固，有器械以为抵御之资”。所以“不独兵役避其凶锋”，即州县营员亦“惜费惮劳”，“望而却步”。林则徐上任后，对地方官吏兵勇的所谓“锢习”，首先是“剖析开导，务令极力破除”，增强他们“缉匪”的勇气和信心，然后以“马得沨纠众夺犯伤差案”，从渭南刀客下手。此案原发生在五、六月间，七、八月林正式接任后，便“亲提研鞫”，除判首犯马得沨以斩刑、“就地正法”外，而将刀客赵恩科子、史双儿等人，“不分首从，发云贵两广极边烟瘴充军”。到是年底，由于林则徐积极督剿，在关中东部各县，以及陕北的安塞等县，又相继缉获146人，其中明确称为“刀匪”的有46人，均从严惩处。对林则徐积极镇压刀客的行动，道光帝朱批“所办甚好”，大加赞赏。
林则徐不仅积极剿灭刀客，而且在西宁还镇压过藏汉人民起义，以后又在云贵镇压过回民起义。