然而一心渴望着立功封疆的袁崇焕，对兵部这一远离前线的职务仍觉不合心意。面对山海关危急的形势，明朝廷有的主张改派能将抵抗，收复失地；更多的人是面面相觑，拿不出主意来，积极请缨的袁崇焕反倒没动声色。他虽然在北上之前已对如何抗击后金形成了自己的方案，但是，那终究是纸上谈兵。山海关内外到底是什么样子？后金军的战斗力究竟如何？他还没有亲眼见过。按自己的方案能否击退敌军，也没有把握。为了确实做到知己知彼，他决心深入前线进行调查研究。为了能够成行，他乘朝廷上下乱哄哄之机，既不跟同事们打招呼，也没有向家里人关照一声，独自骑上一匹马，悄悄出了北京城，向山海关飞驰而去。一路上，他认真地考察了关内外的地形、地势和明、金两军的行营、布阵，并和许多曾经和后金作过战的明军将士进行了详细的交谈，了解到了许多情况。经过此番调查，袁崇焕对战胜后金已经胸有成竹了。
新上任的兵部袁主事忽然不见了，连其家人也不知去向，一连数天杳无音信，使大家十分惊讶。正当人们猜疑不定之时，袁崇焕回到了北京。他立即向明熹宗报告了当时关外的形势，然后毛遂自荐说：“只要给我足够的兵马钱粮，我一个人就能把关外的御敌责任承担起来。”在明军连告败绩，满朝文武正因广宁之败而一筹莫展、谈虎色变，惟恐榆关难保的时候，袁崇焕挺身而出。袁崇焕的这番言行确实需要有非凡的胆识和勇气。了解袁崇焕的称赞他才堪重任，怀疑袁崇焕也落得顺水推舟。
天启二年（1622年）二月，兵部给事中蔡思允上疏曰：“山海一关，只有残兵五万，皆敝衣垢面，一带城垣，低薄塌记。溃卒、难民聚集此如斗之城，互煽互惊，立见乌合兽散之势。”为了整顿榆关防务，他说：“访得原任辽东兵备阎鸣泰、新升兵部主事袁崇焕，皆饶有才略，宜勒令分任榆关。”但是，昏庸的明熹宗还是不愿重用袁崇焕，只是授了他一个山东按察司佥事（军事巡查官），山海监军。
从偏僻八闽之区的七品知县，未经两个月，即升为五品佥事，这一提拔实属破格，但更令袁崇焕兴奋的是，他那马革裹尸、燕然勒名的壮志能够得以实现了。他在《擢佥事监军奏方略疏》中，对朝廷保证道：“誓不以身蒙速进之耻”，“不但巩山海，即已失之封疆，行将复之。”他说：“谋定而战，臣有微长也。”
在做了佥事监军以后，袁崇焕上疏陈奏方略，请征调军队，重新组织抗金力量。朝廷就发出20万两银子，令他招募散兵。临出发前，他特地去拜见了自己敬佩的现“乞罢”在京候审的前辽东经略熊廷弼，向他请教辽东边防形势和作战方略。见面之初，熊廷弼问他此去用何办法去对付金人，袁崇焕回答到：“我主张守而后战。”熊廷弼欢喜得跳了起来，认为和自己“坚守渐逼”的主张不谋而合，就替他画了详细的军用地图，把辽东到宣府的要隘都画了出来，并且注明戍宁的先后及注意事项。两人情投意合，相见恨晚，二人商讨军情直至深夜，袁崇焕才辞别出来。谁知这一别竟成了两位英雄的永别。此番长谈，也更增加了袁崇焕对自己既定方略的信心。
熊廷弼和袁崇焕一个主张“坚守渐逼”，一个主张“守而后战”，都在战略思想上强调一个“守”字，真可谓英雄所见略同。那么，为什么那个时代明朝要在战略上采取守势呢？因为当时除了战争的正义性在明朝这方面以外，其余在决定战争胜负的诸种因素方面，后金都占着一定的优势。具体地说，明朝虽大实弱，后金虽小实强。在集中作战的兵力、部队的战斗力量、正常的指挥关系、必要的财力支援等方面，明军都处于不利地位。加上明朝政治腐败、经济衰敝等不利因素，这就决定了明朝在一定时期内只能采取守势，不能采取攻势，这一点至关重要。这是熊廷弼、袁崇焕经过深入调查研究，对双方力量对比有清醒认识，做到知己知彼；同时又经过深思熟虑，认真总结过去多次丧师失地的血的教训之后，得出的正确结论。在此以前，或者以后，凡是违反这一战略思想，贸然发动进攻，希图速胜的无不遭到惨败。因此，这种战略防御思想是当时惟一正确的战争指导思想。袁崇焕出关以前在熊廷弼的帮助下，确立了并坚信这种指导思想能使自己立于不败之地，而为后来取得宁锦保卫战的胜利打下基础。
以后不久，熊廷弼就遭到逮捕。过了半年，到天启二年八月，被魏忠贤等一意诬害而被冤杀，首级竟被传送到沿边的九个军区示众。当时，袁崇焕已经到了关外，看到他的遗容，见他须眉欲动，面色如生，不觉想起他往日的音容笑貌和深情厚谊，感到悲怆欲绝。就在深夜背人私祭、失声痛哭。又写下《哭熊经略二首》，回忆这次会面的经历，赞颂熊的文才武略，斥责阉党的滔天罪行，语多愤激，极为沉痛。如：
记得相逢一笑迎，亲承指授夜谈兵。
才兼文武无余子，功到雄奇即罪名！
……
太息弓藏狗又烹，狐悲兔死最关情。
家贫罄尽身难赎，“贿赂公行”杀有名！
天启二年（1622年）二月，袁崇焕走向边关，开始了戎马生涯。这时，他39岁。
袁崇焕受任于败军之际，奉命于危难之间，弃文从武，担任边防重任。这一重任，别人避之惟恐不及，他却主动承担，这是要冒极大的风险有极大的勇气的。因为战争中到处都有危险，更何况当时形势紧张，危险既来自刀光剑影的前线，也来自剑拔弩张的后方；既有对外的军事斗志，又有对内的政治斗争。两种斗争，交错在一起，形势就更加险恶。本来，按明代的法律，凡是贪赃枉法或封疆失事都要受到严厉的惩罚，常常遭到杀身之祸。而自万历中期以后，朝廷党争愈演愈烈，斗争双方往往不择手段。贪赃纳贿和封疆失事当然也可以作为党争的工具，其后果之严重可想而知。熊廷弼后来被列入“封疆重案”，又被栽赃17万，罪及妻子，一家都成为党争的牺牲品就是明证。袁崇焕偏偏在这危险关头主动请缨，慨然承担边防重任，而且出关之前还不避嫌疑，不怕卷入在熊廷弼革职听勘之时前去访问，真是冒天下之大不韪，这就非要有极大的勇气不可。勇气来源于一个人的责任心和正义感，是一种高尚的情操。袁崇焕为了维护民族尊严，清雪国家耻辱，甘冒杀身之祸和身败名裂之险，决不放弃自己对国家、民族应尽的责任。这种但求有利于国，不顾不利于自身的大无畏精神和爱国热情是非常值得钦佩的。清代爱国政治家林则徐曾说过“苟利国家生死以，岂因祸福趋避之？”这两句话，袁崇焕在200多年以前就已经做到了。
“绝美的风景，多在奇险的山川；绝壮的音乐，都是悲凉的韵调；高尚的生活，常在壮烈的牺牲中。”热血满腔、浑身是胆的袁崇焕万里从戎，正是寻找绝美的风景、绝壮的音乐、高尚的生活。为此，他乐于攀登奇险，弹奏悲歌，作出牺牲。这是一个爱国主义者在人生道路上作出的庄严抉择。确实，一个人的生命可以燃烧，也可以腐朽。袁崇焕不愿求安保位，不甘老死于户牖之下，决心献身于神圣的边防事业，使自己的生命燃烧起来，发出应有的光辉。于是跃马横刀、驰驱出塞、屡历艰危、出生入死，写下了生命史上辉煌壮丽的篇章。
天启二年二月，袁崇焕到职以后，起初驻守在山海关内，受巡视边疆的兵部尚书张鹤鸣节制。三月以后，受新任辽东经略王在晋的领导。王在晋是一个不知军事、怯敌惧败，却又刚愎自用的家伙。王在晋命他移驻中前所，做参将周守廉、游击左辅的监军，并且管理前屯卫的事务。袁崇焕一出关就烧了三把火，公开声明：我不惜命，深得王在晋的倚重。第一把火：由于军令不严，一部分兵士酝酿结阵而逃，王在晋令袁崇焕查问，他亲自追截，立斩数人乃定。第二把火：袁崇焕传·25·当时明军仅驻榆关，前屯卫城屯不完，居舍未备，甲仗全无，粮草不继，十分艰难。王在晋令袁崇焕赴前屯卫安置辽东失业的难民。袁崇焕奉令之后当夜出发，在荆棘丛生、虎豹出没的荒野里徒步前行，直到四更时才进城，将士没有不佩服他的胆量的。他还主动要求领兵镇守前屯卫。第三把火：天启二年（1622年）八月，蒙古察哈尔部首领就款，阎鸣泰与袁崇焕受命出关歃盟，出色地完成了任务。王在晋对袁崇焕的评价是：其人有魄力、有大志，胸怀坦白，心地光明，迥迥出群。提请任命他做宁（远）前（屯卫）兵备佥事。但是王在晋缺乏军事上的远见，袁崇焕对于他只求守关、不图恢复疆土的这位上级却十分不以为然，二人意见不合。特别是在八里铺加筑一道关城的问题上，双方发生了争执。原来在广宁失败以后，如何巩固边防，防止金兵进一步骚扰，是当时朝野一致关心的问题，曾经反复争论。大体上有守关内和守关外的两种主张。负辽东直接军事责任的王在晋主张守关内。他深恐关外守不住，会因此获罪，命之难保，就主张缩短防线，放弃关外，在靠近山海关的八里铺加筑一重关城，设置重兵驻守，并美其名曰：“重关设险，卫山海以卫京师。”这是一种消极退避、单纯防御的主张。袁崇焕和另外一些下级军官坚决反对此种做法。他们主张：“捍关外以守关内”，并且主张守离山海关较远的宁远。原因如下：（一）疆土不可随便放弃。（二）守卫宁远进可以据广宁，退也不失为山海关的屏障，守住宁远，就保住了通往山海关的咽喉。从宁远一带的地形来看，北面是山，南面为海，宽不过40里，可以使用伏兵袭击敌人。如果敌人攻宁远不下，越过宁远前进，那么在山海关到宁远的狭长地带中很容易被切断归路。敌人如果胆敢直抵关门，那么，前有坚城，后有劲兵，更容易被消灭。与此同时，宁远可以和它以南20里海中的觉华岛互为犄角。敌人攻宁远就可以用岛上的兵袭击敌人的后方三岔河一带，以为牵制。宁远所需的军需品，也可以由海道运到觉华岛，把觉华岛作为一个补给基地。岛上的水师又可以和山东、辽东沿海一带通声气，一有机会就可互相配合袭击敌人。这是水陆联合、可攻可守的作战方略。在当时明朝水师占优势的情况下，此种布防十分有道理。同时，宁远距离十三山不过200里，还可以就近把前次战役失败后逃到十三山的难民十万人救将出来，这也是很重要的一件事情。可是王在晋不同意袁崇焕的这种主张。因为此事关系到明边防得失之大要，袁崇焕在几次力争不得以后，就向东林党魁首叶向高申述，并自告奋勇，表示情愿去守宁远。叶向高一时不能自己作出决定——这不能凭想当然做决定。这时同为阁臣的孙承宗自请巡边，亲往裁决。
孙承宗，字稚绳，万历三十二年（1604年）考中进士。天启初曾充当熹宗的讲官。广宁溃败后，擢为兵部尚书兼东阁大学士。孙承宗亲自勘察了关外的山川关隘，认为宁远的形势是包山阻海，“天设重关，以护神京，必不可不守”，驳斥了筑镇八里铺的种种理由，接着，孙承宗召集众将讨论战守：“阎鸣泰主觉华（今菊花岛），崇焕主宁远（今兴城）；在晋及张应吾、邢慎言持不可。”在意见纷纭的情况下，他宣布休会，后经勘察，下令以袁崇焕守宁远的建议为决议。袁崇焕的正确主张初步得到了采纳。
当天启二年（1622年）正月，王化贞在广宁失败之后，义州大侠招集明朝溃散的兵士、难民十万人闭城坚守，誓死不肯投降后金。他又令毕麻子兄弟率领一部分人在十三山扎营结寨。后来毕麻子合并了杨三的部下，派勇士陈无民入关求救说：“十万义民忍死待救。”王在晋置之不理。袁崇焕请求自带5000人驻所宁远，以壮十三山的声威气势，并请另派勇将前往救援。袁崇焕认为对于这些义民决不能坐视不救，而且把他们救出来安置在宁远和觉华岛，挑选精壮者编成军队，其余的教他们屯田放牧，足以增强抵抗后金的力量，将来可以进一步向锦州推进。相反，如果坐视义民之危难而不予以援救，这十万人被金兵掳走，势必会增强敌方的力量。袁崇焕的这一主张，得到了孙承宗的赞同。孙承宗同蓟辽总督王象乾商议此事，王象乾认为山海关的明军士气很低，恐怕不能够前去，打算另派军队前往。孙承宗就把这个计划告诉了王在晋，结果胆小怕事的王在晋不敢这样做。他在表面上虽然也上疏请救，然而实际上却未有丝毫的行动。结果大好战机错过，九月里，十三山被金兵攻破，只有极少一部分6000人冒雨逃出，投入明朝兵营，被收编入军中，其余义民悉数为金兵所掳。
七月，孙承宗回到北京，上疏力言“在晋不足任”。同时荐举“崇焕英发、贴实，绰有担当。（并）自愿为大将，臣取其志，尚欲练其气，遂罢八里铺筑城之议”。自此，熹宗批准孙承宗“以原官（兵部尚书）督理辽东、蓟镇、天津、登莱等处军务”。八月，王在晋去任；九月初三，孙承宗到职。原任山石道的阎鸣泰升任辽东巡抚。因孙承宗亲眼所见袁崇焕在自己“行边”期间力图勇救十三山难民的事迹，于其深夜疾行奔广宁前屯卫之事亦有耳闻，所以，“承宗镇门关，益倚崇焕”。袁崇焕改任山石道，驻守宁远，承宗格外信用。从而，袁崇焕就独主一方，有了放松手脚、施展才略的用武之所。
在孙承宗的领导下，袁崇焕充分地发挥了才能。《明史》记载他这时“内抚军民，外饬守备，劳绩大著”。孙承宗还以前辈身份对他进行教导。有一次袁崇焕查核军伍，发现了有人以空名支饷，未报经上级批准，就把一个军校斩首。孙承宗责他道：“监军能擅自杀人吗？”袁崇焕顿首谢罪。天启三年（1623年），孙承宗派袁崇焕与副将满桂驻守宁远，以贯彻守宁远以保卫山海关的计划。
不久，张凤翼代阎鸣泰为辽东巡抚，又主张放弃关外专守关内，和孙承宗意见不合。九月中，孙承宗召集将士商讨到底该守何处。许多人都主张守关内。袁崇焕力排众议，仍坚决主张守宁远。孙承宗听取了他的意见，毅然地说道：“我除此以外没有别的办法报国了！”就命袁崇焕和满桂一起守卫宁远，并且重筑宁远城。
宁远东边靠渤海，西边是山岭地带，形势险要。起初，孙承宗派游击祖大寿筑宁远城。祖大寿认为明政府不会真正远守关外，因此只筑了十分之一，而且城墙筑得非常单薄，不合要求。因此孙承宗欲斩祖大寿，袁崇焕力救方免，祖大寿遂成为袁崇焕最得力的心腹之一。袁崇焕着眼于百年大计，制定了筑城的规格：城高三丈二尺，墙基宽三丈，墙顶宽二丈四尺，城墙顶上的护身垛高六尺，城周九里一百二十步。他亲自担任筑城总指挥，令祖大寿和高见、贺谦等将领分别督工，认真修筑。经过广大军民一年的艰苦劳动，宁远城按照袁崇焕的标准全部竣工。自此，宁远城就成为关外的一个军事重镇。这时，袁崇焕的父亲去世了，按当时的习俗，父丧应卸任回家守孝三年。但是，为了抗金大业，他断然夺情留任，誓与宁远共存亡。袁崇焕长期驻守在宁远城，他勤于职守，身先士卒，关心部下疾苦，与士卒同甘共苦，迅速在将士们心中建立了很高的威望，人人都愿意在他的领导下勤奋地工作。不久，宁远城就商旅云集，流民来归，成为辽河以西一个最富裕的地方，也是在金人统治下的辽东人民向往的一片乐土。这座由袁崇焕倡议并努力建筑、经营起来的宁远城，一直到后来宁前总兵、大汉奸吴三桂勾引清兵入关前，始终屹立在边防前哨，是山海关的有力保障。因此，宁远城的修筑可算是袁崇焕对辽东边防的一个重大贡献，也清楚地证明了袁崇焕军事上的真知灼见。和袁崇焕同时代的黄尊素（东林名士，黄宗羲之父）在所著《说略》中说：“宁远在山海关以外，孤悬于蒙古与后金之间，袁崇焕毫无惧意，筑城凿濠，屹然成为重镇。他曾写信给当局说：‘我在宁远，北京可以高枕而卧了。’”从这段话中，可见黄尊素对袁崇焕的推崇，也可以看出袁崇焕坚守宁远以捍卫关内的坚强信念。
但是，这时朝廷上还有不少人对坚守宁远缺乏信心。于是孙承宗在天启四年（1624年）二月上疏奏陈边防大计，力言宁远可战可守，是为必争必据之地，请求朝廷不要被一般大臣的错误意见所动摇。他曾比较袁崇焕和张凤翼说：“我愿意任用袁崇焕，因为他竭力尽心，急公好义；而不愿意任用那个逃避危难的大富翁，闭门念经的胆小鬼。”可见孙承宗对袁崇焕是十分器重的。后来，孙承宗又认为袁崇焕应辞去山石道，专任宁前事务，才能有所作为，于是改任袁崇焕为宁前道。
宁远城筑好后，为了进一步巩固辽河以西的防务，并继续东进收复失土，袁崇焕准备向锦州推进，建立起一个宁锦防线。就在天启四年九月，同总兵马世龙等率领水陆马步军112万人东巡广宁。这是明军经过两年操练，业已众志成城的一次战略行动，深入到明金双方都没有占领的空白地区进行巡视，虽然未与后金交锋，但锻炼了军队的胆气，摸清了大凌河、三岔河（今辽河）、以及海州（今海城）、盖州（今盖县）一带的水陆机宜，兵马虚实，为恢复辽西乃至辽东失地作了很好的准备。东巡期间，袁崇焕不辞劳苦，不畏艰险，布置边防，成绩卓著，又连续被提升为兵备副使和山东右参政（明代辽东归山东管辖）。
东巡之时，他一路观察形势，策划如何作战、如何防守。东巡归来之后，正式向孙承宗建议重建锦州、各屯诸城。到天启五年（1625年）夏天完成种种准备以后，他就派遣将领分头占领锦州、松山、杏山以及大小凌河一带诸战略要地，修缮城郭，准备固守，练兵屯粮。这样一来，又继宁远之后，向前推进200里，天启初年的失地已尽数收复，宁远反成为后方了。
自从天启二年袁崇焕出关，到此时为止，在三年多的时间内，由于袁崇焕保卫关外以守关内的正确主张被采纳，以及后来积极赞助孙承宗规划守备，计前后收复失地400里，修复城堡数10座，练兵11万人，裁减淘汰老弱兵校7000余人，省经费68万，建立了东营、水营。造铠甲、器械、弓矢、炮石等用具数十万，开屯田5000顷，岁入15万。于是东北形势大为巩固，财政负担也得到一定程度的减轻，关内外人心开始安定下来。
袁崇焕此时充满了积极进取、乐观顽强的精神，其心情亦十分舒畅。从他的《边雨》一诗中可见：
风斜雨急阵云平，想为军中洗甲兵。
万帐关心衣暗湿，一时昂首马齐鸣。
防人薄我晨传剑，避水移山夜拔营。
颇幸屯田今岁熟，先期十日早收成。
在这一段时间里，后金因为忙于加强对辽河以东的统治，也因为明军无懈可击，几年之内，按兵不攻，明金双方，形成对峙局面。一直到天启五年（1625年）十月，孙承宗被魏忠贤排挤去位，辽东形势才发生新的变化。
