林则徐是道光二十二年（1842）十月抵达戍所伊犁的。他在鸦片战争中禁烟抗英，坚决抵抗外来侵略，却遭到投降派的打击，被谪发新疆。无罪而受重谴，林则徐的心情十分悲愤，但他的爱国意志并未因此消沉。到戍不久，他便着手研读新疆的历史地理，密切关注西陲的戍边事业，尤其重视屯田备边活动。
据与他同在当地的旧属黄冕回忆，两人见面时，所谈“皆御夷之事…及塞上屯田水利，中外地形，南北水土之胜，往往至夜分始散”。他手辑的《衙斋杂录》一书，详尽地摘录了清代尤其是道光年间经营新疆屯田的成案资料，供自已从事屯垦时参考。道光二十四年（1844），布彦泰奏请垦复伊犁惠远城东的阿齐乌苏旗屯废地，林则徐积极协助筹划，还亲自认修最艰巨的龙口首段水利工程。这一切为他后来履勘南疆，推动屯垦，提供了重要的历史借鉴和实践经验。
尽管如此，对林则徐来说，南疆之行绝非易事。当时他巳年逾花甲，病体孱弱，而勘垦“事体既属繁重，道路又复绵长”。特别是这次“周历履勘”并非正式起用，他作为遣戍革员，既无相应头衔，又无奏事之权，所谓“羁臣奉使原非分”，“头衔笑被旁人问”，所面临的困难和压力可想而知。这一点连伊犁将军布彦泰也有所顾虑。他之所以荐举喀喇沙尔办事大臣全庆与林则徐会办此事，就是考虑“回子人等耳目本浅，林则徐虽系曾任大员，目下尚无品秩，得现任办事大臣会同履勘，自觉呼应较灵”。但林则徐本人没有畏缩，他以“但期绣垄成千顷，敢惮锋车历八城”的决心，勇敢地接受了这项使命。
道光二十四年（1844）十一月，林则徐由伊犁启程，取道乌鲁木齐转赴南疆，次年二月在喀喇沙尔与全庆会合。两人通力合作，开始了历时半年的履勘活动。根据就近顺道勘垦的原则，履勘的第一站为库车，然后渐次而西，至乌什、阿克苏、和闻、叶尔羌、喀什噶尔，最后向东折返，勘查喀喇沙尔。
为搞好查勘，切实推动当地的农业开垦，有利于国计民生，林则徐和全庆认真分析了屯垦形势，认为勘垦的中心问题有三：“一系此项荒地是否可开，一系有无民户可以招垦，一系招集回户有无流弊”。而归纳起来，不外两个基本环节，一是从生产的角度，相度山川水利，严格查核各城所报土地的可垦性，确保开垦落实；二是从经营的角度，实事求是处理新垦之地，采取适当的电种形式。“不敢稍有成见，亦绝不粉饰迎合”。两个环节相互联系，开垦是电种的前提，合理的电种方式又是开垦生产长期持久的保证。基于上述认识、他们始终抓住这两个环节，全力加以解决。
清丈地亩是查核可垦性的第一步。各处荒地大多距城较远，有些远在二百里之外，往返费时三、四天。林则徐总是不畏劳苦，深入实地，亲视勘丈。逐段丈量的结果，证实各垦地不仅于原奏亩数无亏，不少还有盈余。如库车，“核与原奏六万八千余亩之外有赢无绌，土脉腴润，易于发生”；阿克苏“新垦荒地十一万九千余亩，除沙冈等处不堪耕种外，核与原麦十万亩之数，尚余地二千余亩”；乌什原奏为八万三千四百亩，“兹按四至通盘围估”，扣除沙碛碱地，“尚有十万三千余亩”，从而落实并扩大了可垦面积。
“农田以水利为首务”。南疆各城坐落在沙漠边缘的绿洲，雨泽稀少，人工灌溉更是开垦土地必不可少的先决条件。林则徐每到一地，都把水利条件列为考察重点，他的日记里，“先勘水势”“先观水渠形势”的记载比比皆是。不仅如此，他还利用自己丰富的治水经验，帮助各城解决困难，完善水利设施。叶尔羌新垦地和尔罕，“地本膏腴”，但与西北、东南两道大渠隔大小沙梁五道，“有阻遏渗漏之虞”。林则徐查看当地试行挑挖的部分渠道后指出，这里的渠身为沙土质地，“坝工倍须坚固，挑工更要宽深”，应“于沙梁冲要之处砌护块石，挖钉排桩，则沙土自不至坍卸入渠，而渠道亦愈刷愈深，良田足资灌溉”（35）。喀什噶尔垦地所引用的锐列普曲克河之水，源远流长，水量丰富，“惟水性浑浊，日久不免停淤”。林则徐敏锐地注意到这一点，提醒行关人员“所有渠工坝座，尚须加以岁修，乃可永资利用”。喀喇沙尔渠工原系署理办事大臣常清筹划，林则徐经查勘发现，其中库尔勒一处的支渠“漏未估计”，便帮助重新规划，将工程“略为变通，其大渠取直挑挖，即以所省之工添挖支渠”，完善了渠道网系，又大大减省了工费支出。
为立足久远，林则徐对渠工质量要求严格，容不得任何苟且凑合。他在库车量验所浚渠道，发现“间有丈尺未敷”，立即“责成承办之官吏、伯克等速再加挑，务令多为容纳，以利灌输”。阿克苏朗哈里克渠道经查，“核与原奏里数短欠，尚多树株”，他毫不容情，督令如式修挖，并限期一年将地内树株全部刨净。对于吸取当地人民有效经验的水利措施，则热情地予以支持和推广。如和阗垦地，除修筑达瓦克大渠引玉河水灌溉，“复自洋阿里克至达瓦克一带觅得泉源五十余处，接引入渠”，以便冬春河水消减时利用地下水补充水源。林则徐认为，这是使垦地“终年皆堪灌注”的好办法，十分称赞，并肯定地表示“是此项荒地实系可以开垦，并无格碍”。由于措施得宜，这些水利设施在此后相当长的时间里一直为南疆屯垦发挥作用，直到清末，和阗达瓦克等渠工的大渠、支渠依旧存在。
在开垦计划落实的基础上，林则徐和全庆以主要力量研究拟定新垦之田的分配方案。从历次谕旨当中，久任疆吏的林则徐早已洞悉道光皇帝的个人意向。但他拖着“明诏筹边要至公”的态度，决心从南疆的具体实际和屯垦实效出发。在他看来，以往为了隔绝不同民族间的交往联系，竭力阻挠内地人民进入回疆的作法固不可取，但如只强调招集内地民户兴垦而完全忽视当地人民的屯种能力和需要，同样偏颇不当。正确的态度是：“因地制宜，毫无成见，惟应给回户者，仍不能强招民人”。只要对当地生产和人民生活有利，不论民屯、回屯，都是适当的形式。
本照这一原则，林则徐对各城情形作了深入的调查，他所经历的地方“不仅从来谪臣所未到，即武臣边帅亦鲜有躬亲周历者”。根据所掌握的充分事实，进而提出将垦地“全部给回”、“民回兼顾”及“全部招民”三种设想。
一、“全部给回”，即如数拨给当地维吾尔农民垦种，主要是库车、乌什、阿克苏、和阗四城。林则徐在呈文里详尽地分析了它们各自的人户构成状况。
关于库车，他指出；“回疆距内地甚远，库车尤属偏小，非比伊犁、乌鲁木齐等处，为边外户民众多之区，即比之喀喇沙尔，亦更在千里之遥。虽有内地民人，小本营生，只能只身到此，往来贩运，去住无常。……今蒙拨地给种，原为有利可图，但牛具籽种及一切人工资本无从设措，若向内地转招农民，实系费无所出……是以伊等不敢承种，亦难转招”。
阿克苏是南疆大城，“内地之人在此处者为数多于他城，然皆未能携眷。就中约分三种：其一系发遣人犯，现有六十余名，此等本应重罪发给伯克为奴，自毋庸议；其一系佣趁游民，约可招集百人，衹寻短工度日，即给以地亩，亦无耕种之资，诚恐粮欠身逃，非徒无益。其一系贸易商民，俱不谙农务，实不能再赴二百里外兼顾耕田。
乌什、和阗在南疆均属偏隅，乌什须由阿克苏而入，和阗则由叶尔羌而入，道路不便，民人稀至，“即使设法招集，亦恐难以强致。”而且和阗蚕棉并广，以纺织为业者甚多，有恒产的回户亦难兼营，“惟与新地较近之处以及无田、田少之人，则皆欣欣然希图种”。
南疆地区民人稀少，有地理条件的限制，更有政策上的原因。但这种状况并非一时所能改变。林则徐认为，既然眼下不能招民认垦，“若不酌给本地回子，地利未免抛荒”，“是原奏请给回子承种，系为因地制宜起见”，应予允准。
二、“民回兼顾”，即将垦地分别给予民户和回户耕种，主要是喀什噶尔和叶尔羌。
喀什噶尔和叶尔羌都是道光初年曾经招户兴屯之地，已有一定数量的民人在此定居。这次喀什噶尔所报垦地，分河东、河西两处，该城官员初议全招回户承种。
林则徐查看后感到，“除河东之六万七千余亩与回庄处处毗连，兼无许多民户可招”外，“其河西之一万六千余亩，与回庄尚有界限可分，若将该处地亩设法招民，或不至有不能相安之处”。遂决定分别处置，以河东地“分给回户承种”，以河西地招募民户，“多方劝导环城一带承种官田之民户，令其呼朋引类，庶可渐次招徕”。
叶尔羌新开垦地为城西七十里处的和尔罕，另有巴尔楚克为旧有民屯。林则徐分析两地情况指出，巴尔楚克位于叶尔羌、喀什噶尔的交通要路，“水泉甚足”，自道光十二年兴办民屯以来，陆续招户，“而未种之地极多，并无回庄夹杂”，应继续发展，“如目下有民可招，似应先尽巴尔楚克安置，以成巨镇而藩篱”。至于和尔罕地亩，“地处偏隅，与回庄错杂，招民认种既多未便，不若转给回户，转可相安”。
三、“全部招民”，全招民户承种的仅喀喇沙尔一处。
南疆八城中，喀喇沙尔的地理位置最偏东，是连接北路的通道，距关内及北疆乌鲁木齐等地均较他城为近，民人来往较多。嘉庆年间这里是八城中唯一招有民人电垦的地方。道光二十三年（1843）全庆到任后，以原有兵屯地亩及扩垦荒地全部改招民户耕种，得户六百余，安置当年即行升科，事机极其顺利。为此，林则徐与全庆议定，对二十四年（1844）以后续行勘出的一万余亩荒地，仍照前例继续招民，发展户屯，“札委章京常寿速赴乌鲁木齐等处认真招致”。
林则徐等人所拟方案，充分考虑了南疆地区的实际情况，因地制宜，既有益于生产，也有益于民生，还能节省国家用于垦务的财政支出，应当说是正确积极、妥善可行的。然而上述意见并没有立即得到朝廷应有的支持。
库车地亩折稿是林则徐履勘中发出的第一份折稿，对于“给回给民的利弊得失，稿文有极透辟的剖析。但军机处会同户部的议复“虽已准予给回耕种，而语意甚为勉强”，“挑剔责备之处，不一而足。且强将粮赋定为按亩平分入官，其末后结穴，又虑及各处捐办开垦有勒派苦累情事，不许迁就，仍令陆续招民”，实际是向他们表示异议。不久，道光皇帝又下令将阿克苏大臣辑瑞“革职示惩”，理由是“并未先行查奏，率即兴工，以致回疆各城相率效尤”。
面对来自朝廷的压力，林则徐没有动摇，他坚决地表示，所有折稿“于六月初五日以前，由伊江全行奏出，此时势难再改”。为使合理意见被采纳，非但不改，还要再作一文，“缕析登答，声请复奏”。由于他不避嫌疑地力为陈请，终于使这一方案获准施行，“给回”地亩的科则也得到比较恰当的制定，由原来廷议的平分入官改为亩征五升，减轻了承种者的负担。
林则徐履勘活动的圆满成功，消除了兴垦道路上的主要障碍，南疆地区很快出现全面兴垦的空前盛况。到道光三十年（1850），不仅林则徐等勘报的地亩全数垦成，还开出续勘的上万亩荒地，经过试种、减半征收，进入全行升科的正式耕种阶段。据粗略统计，这次南疆各城共垦出土地六十三万二千五百余亩，其中库车十三万二千三百九十三亩，和阗十万零一百亩，叶尔羌九万八千余亩，喀什噶尔八万三千二百九十八亩，乌什十万三千余亩，阿克苏十万二千三百亩，喀喇沙尔一万三千五百亩，有力地促进了当地的农业生产。
像这样的开垦成绩，无论规模、速度、地域范围，在清代南疆屯垦史上都是前所未有的，就是与同期的北路各地相比，也堪居榜首。所以，清人金安清曾高度评价林则徐的南疆之行，称赞他“浚水源、辟沟渠，教民耕作”，“大漠广野，悉成沃衍，烟户相望，耕作皆满，……为百余年入版图未有之盛”。