在关门防务上，“并夹城之役，修筑关城，南防海口，北防角山。水则从望海台出芝麻湾，三面环海，安大炮为横击。陆则三道关之石城，可顿万人，开突门力夜击。北水关外，有峻岭筑号台十一，置炮以防外瞰”。经五个月的惨淡经营，稳定了关门局势，并为恢复辽西失地，强固了根基。
同时是修筑宁远城。天启三年（1623）九月，孙承宗命祖大寿修复宁远，并令驻军尽速恢复山海关至宁远沿线被焚弃各城。召辽人回故居，垦荒屯田，重建家园。又发展采煤、煮盐、海运等事业，以充实民力，确保军需。宁远城竣工后，调袁崇焕镇守。孙承宗自己则坐守山海关，并备前屯，充当其后盾。在袁崇焕的精心治理下，宁远“商旅辐辏，流移骈集，远近望为乐土”，成为一座进可攻、退可守的军事重镇。
随着宁远城守的日渐巩固，明军防线不断延伸。天启五年（1625）夏，孙承宗遣将分据锦州、松山、杏山、石屯及大小凌河各城。这样，自宁远又向前推进二百里，从而形成了以宁远为中心的宁锦防线。
四年来，孙承宗重用袁崇焕等一大批忠直的文武将吏人才，边防大备。“自承宗出镇，关门息警，中朝宴然，不复以边事为虑矣。”不但扭转了原先的那种颓败之势，且整个形势变得越来越好。正当他锐意恢复之际，却遭到了来自魏忠贤的打击。
孙承宗功高权重，誉满朝野。魏忠贤为长久把持朝柄，一心想把孙承宗也拉到自己一边，故进行过多次试探，但均遭到拒绝，由此怀恨在心。天启四年（1624）十一月，孙承宗西巡至蓟、昌，报请以十一月十四日入朝贺万寿节，并面奏机宜。魏忠贤得知，恐其拥兵“清君侧”，大惧，“绕御床哭，上亦为心动”，当即命内阁拟旨，以“无旨擅离信地，非祖宗法”为名，令其返关。孙承宗无奈，只好返回。事后，阉党利用这件事攻击孙承宗“拥兵向阙，叛逆显然”，但熹宗没予理会。
天启五年（1625）八月，柳河之败，导致了孙承宗的去职。山海关总兵马世龙，误信自后金逃归的“降虏生员”刘伯?的话，派兵渡柳河，袭取耀州，中伏遭败。阉党借机小题大做，围攻马世龙，并参劾孙承宗。孙承宗气极，连上二疏，自请罢官。九月，返乡。
孙承宗辞职以后，兵部尚书高第出任辽东经略。高第为一文人，既不懂军事，也没打过仗。他一到任上，即一反孙承宗的部署，下令拆撤宁锦防线。关外驻防将士除镇守宁远的袁崇焕拒不从命外，其他诸城均撤一空。因而使孙承宗数年心血毁于一旦，明朝在山海关及其关外的军事形势顷刻陷入一场新的危机。只是由于以袁崇焕为首的广大将士的浴血奋战，才使明军在天启六年正月、天启七年五月相继取得“宁远大捷”和“宁锦大捷”，奇迹般地挡住了后金的凶猛进攻，从而不仅使宁锦防线经受住战争的考验，且使明朝避免了由于高第的错误军事决策而导致的军事大溃败。
崇祯二年（1629），皇太极率军避开宁锦，假道内蒙，从喜峰口突入塞内，相继攻陷遵化、迂安、滦州、永平，直指北京。且行反间计，使崇祯帝囚系并最终杀害了袁崇焕。此事所谓“己巳虏变”。一时，明廷乱作一团。而袁崇焕的下狱，又导致军心涣散，将士东归。在此危难之际，明廷再次起用孙承宗，“诏以原官兼兵部尚书守通州”，统筹全局。孙承宗首先晓以大义，安定了军心。其后协调各路军队，联合行动，经数月艰苦作战，取得“遵永大捷”，并于崇祯三年（1630）五月将后金军驱逐出关。
孙承宗再任辽东经略后，仍坚持以积极防御为主的方针，继续加强宁锦防线，决心重筑被高第毁弃的大凌河、右屯二城。崇祯四年（1631）七月，令祖大寿等率兵四千守大凌河，又征发一万四千人筑城。八月六日，动工筑城才二十天左右，大凌河城墙刚刚修完，雉堞仅修完一半，后金突然兵归城下，并于当天开始围城，明军仓促闭门拒战。“承宗闻，驰赴锦州，遣吴襄、宗伟往救”。但宁远巡抚邱禾嘉“屡易师期，伟与襄又不相能，遂大败于长山”。至十月，大凌河已被围三月，守军粮尽援绝，祖大寿假降奔还锦州，“城复被毁”。大凌河失守，引起了明廷内部的互相倾轧，“延臣追咎筑城非策，文章论禾嘉及承宗”。孙承宗连疏引疾，求退。崇祯帝为平息朝议，准其归籍，孙承宗第二次被排挤下台。
崇祯十一年（1638），后金（清）兵深入内地。十一月九日围攻高阳。赋闲在家的孙承宗率全城军民与之血战。三天后，城破，孙承宗被俘，因拒不投降，被活活勒死。死后谥号文正。﹝当作文忠,见明史本传﹞著作有《高阳集》。
孙承宗遗留的军事著作有《车营扣答合编》。这是他在督师蓟辽，经营辽西防务时，筹划反攻辽东与其属下讨论军事问题的记录整理而成的。全书共一百零八个问答，由《车营总说》、《车营百八扣》、《车营百八答》和《车营百八说》等四部分组成，通过问、答、说、图等对车营编组方法、营阵布列、行军作战、后勤保障等问题，作了详细的分析和解说。在作战指导思想上，很重视发挥火器的作用与各兵种的协同动作。如说：“用车在用火”，“用火在叠阵”。所谓“用火”即是发扬火力；所谓叠阵即步、骑、炮重叠配置，彼此协同，长短相补。战斗队形也要因地制宜，灵活机动地使用方、圆、曲、直、锐等各种队形，向人们展示了火器和冷兵器并用时代，步、骑、炮等诸兵种协同作战的雏形，在军事思想发展史上，具有重要的史料价值。
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