天启二年（1622年）8月，赴辽东上任（山海关）。让蓟州、辽东、天津、登州、莱州原来的将领监管各处，见机行事不必受到其它人的限制。用阎鸣泰为辽东巡抚，又用鹿善继、王则古为赞画（参谋长）。让江应诏制定军事编制、让袁崇焕建造营房，李秉诚训练火器装装备，鹿善继、王则古处理军需物资，沈棨、杜应芳维修甲仗，孙元化修筑炮台，宋献、程仑购买军马，万有采伐树木，祖大寿辅助金冠守觉华岛（今菊花岛〉，陈谏助、赵率教守前屯（今绥中前卫镇），鲁之甲拯救难民，杨应乾招募辽人编制成军队。
孙承宗发现先前关上士兵没有纪律，而且有大量的不符合条件的人冒领军饷。于是孙承宗阅兵后，将河南、真定（今正定）等地不符合条件的士兵遣回。将鲁之甲所拯救出来的难民去驻守前屯，杨应乾招募的辽人军队去镇守宁远，请求朝鲜声援辽东，又犒劳东江镇毛文龙，让他四方守卫。并传令沈有容进据广鹿岛（今长海县广鹿岛镇）。此时，江应诏被弹劾，孙承宗请求让万世龙代替，并让尤世禄、王世钦为南北帅，听马世龙调遣，朱由校听从孙承宗的建议并赐马世龙上方宝剑。
登莱巡抚袁可立与孙承宗同为天启二年殿试同考官，共同主辽期间满人蜷伏。孙承宗将辽海防委之于袁可立，十分倚重。在答袁节寰登抚说：“读后先大疏，皎洁揭日月，行中天而底里洞彻，殊令人可味，可展布四体，仰酬国恩”。
朝廷有人重山海轻沿海，甚至有人请求裁撤登菜巡抚。但孙承宗认为“恢辽全着，必资于海”。“请求皇上敇该部分两镇汛地，酌给登镇兵丁，敕登莱抚臣（袁可立）用心料理，仍令节制两镇，凡一应兵马钱粮，征收调遣，防剿功罪尽归经理。”
孙承宗去辽东后，阉党独掌握朝廷实权。魏忠贤经常派自己的党羽刘朝、胡良辅、纪用等巡查边关。表面上是慰劳部队，实际上是窥探军情，监视孙承宗。他上书朱由检，说不能让宦官监军。孙承宗不拿使者当回事，来辽东只用茶水招待。
由于阉党挑衅，辽东将领有的提出退守山海关。马世龙建议守中后所（今绥中县城）孙承宗坚决主张守宁远（今兴城），让祖大寿修建防御工程，令袁崇焕、满桂驻守宁远（实践证明是对的）。孙承宗也常驻宁远。
天启四年（1624年），在孙承宗的操劳下，宁远城修复。可以说是辽西坚不可摧的城池（现保存的完好）。辽东巡抚衙门移驻宁远。后来，努尔哈赤攻宁远城没有攻下，受伤抑郁而死。