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。孙承宗将辽海防务委之于袁可立，十分倚重。他说道：“读后先大疏，皎皎揭日月，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莱巡抚。但孙承宗认为“恢辽全着，必资于海。”请求“皇上敕该部分部两镇汛地，酌给登镇兵丁，敕登莱抚臣用心料理，仍令节制两镇，凡一应兵马钱粮、徵收调遣、防剿功罪尽归经理。”
皇帝朱由校喜欢视察边关，经常派东厂的人到关门，然后将边关的事情上报给朝廷。魏忠贤掌权后派遣自己的党羽刘朝、胡良辅、纪用等四十五人带着数万武器装备来到关门，供给边关军队，又用白金十万，蟒、麒麟、狮子、虎、豹等银币赏赐将士，赐给孙承宗蟒服、白金等，表面上是慰劳军队，实际上是窥探军情。孙承宗出关巡视宁远，听到这个消息立刻上书给朱由校，说不能让宦官监军，但朱由校却回复说这没什么。使者到边关后，孙承宗只用茶水招待。
天启三年孙承宗推荐阎鸣泰当辽东巡抚以后，认为他没有实际才能，所以军事上的事很多都不跟他商议，阎鸣泰因此感到不高兴，朝廷议论后，将阎鸣泰罢免，用张凤翼接替，但张凤翼胆小，又主张退守山海关。孙承宗对此感到不高兴，出关巡视宁远，召集众将开会，多数将领都想退守山海关，马世龙建议守中后所，袁崇焕等主张守宁远。孙承宗采用袁崇焕的主张，于是让祖大寿修建防御工事，令袁崇焕、满桂驻守宁远。
孙承宗担心自己的权利受到限制，上书朱由校说督师和总督不能同时设立，请求将自己罢免。朱由校于是终止总督的推选，令辽东巡抚移驻宁远，张凤翼觉得这是置自己于死地，与万有孚等诋毁马世龙。没过多久，万有孚被蓟州巡抚岳和声弹劾，张凤翼于是称马世龙和袁崇焕陷害，捏造谎话欺瞒朝廷，试图阻挠出关的计划。给事中解学龙也大力陈说马世龙的罪过，孙承宗非常生气，上书给朱由校说边关的防守策略，说宁远、觉华不能放弃，并为马世龙辩解，又揭发万有孚与张凤翼等勾结的罪状。
天启四年，宁远城修复，关外的守备器械也已建造完毕，孙承宗上书朱由校请求发军饷二十四万，这样就可以大举进攻了，但兵部和工部却横加阻挠，向朱由校进谗不能给钱，孙承宗上书催促无果，孙承宗大军因此没有出征。
孙承宗坐镇辽东的四年，与天津巡抚李邦华、登莱巡抚袁可立遥相呼应，“关门息警，中朝宴然，不复以边事为虑矣。”在这样相对安定的大背景下，按照战功来衡量，似乎孙承宗有些碌碌无为。然当时的兵部尚书王永光对孙承宗积极防御的一番作为作过很中肯的评价：“兵家有云，善战者，无赫赫之功！”两年下来，孙阁老和袁军门一直没有发动大战役的机会，而发动战略总反攻把后金赶出去的机会又不成熟。但反过来说，孙阁老在无形中为朝廷省下了许多军费，确保了山海关安然无恙，使明朝有了更多的机会养精蓄锐，充分显示了天朝的不战之威。”首辅孔贞运评价道：“公久历海上，凡地形险易，军储盈缩，将吏能否，虏情向背皆洞若烛照，故登莱终公之任销锋卧鼓。”这也从另一方面肯定了孙承宗和袁可立积极防御之功。令人惋惜的是，正当孙、袁二公积数年之力准备大有作为组织大反攻之时，阉党已全面掌控局势，逼迫袁可立和孙承宗先后去职。
孙承宗与袁可立是很好的搭档，从后来柳河之役的失败来看，袁可立的离任对孙承宗的军事行动有很大的影响和缺憾。从后来的战争结果看，袁可立的实战能力更强，在登莱缺粮少援的弱势状态下，竟然能在数月内组合优势兵力纵横海上，战线绵延至上千里，调度两镇兵马多次奇兵突袭，以反间计策反后金女婿刘爱塔，连克金、复、盖三卫旅顺、红嘴、望海、永宁等堡多个战略要地，使后金数年间蜷缩一隅无以西窥。袁可立的登莱战区竟然成为了明清战争史上唯一主动出击叫战的正面战场。
而此时魏忠贤企图扩张权利，见到孙承宗功劳非常高，想要攀附，于是派刘应坤向孙承宗表明自己的意思。但孙承宗见到刘应坤之后与他一句话也不说，魏忠贤因此记恨孙承宗。魏忠贤迫害朝中大臣，将杨涟、赵南星、高攀龙等驱逐出京，孙承宗正在巡视蓟州一带，想到上反对奏书皇上未必会亲自阅览，于是以贺寿为由请求入朝面奏，借机弹劾魏忠贤。魏广微听说后将这个消息告诉了魏忠贤，说孙承宗打算以清君侧为由杀掉魏忠贤，魏忠贤于是跑到皇帝朱由校床前，哭着求情，顾秉谦也说没有圣旨私自离开防守的地方，不合法度。于是朱由校连夜召见兵部尚书，派三人骑快马阻止孙承宗。魏忠贤又假传圣旨给九门的宦官，若孙承宗到了齐化门，就将他绑了。孙承宗到达通州后，接到朱由校的旨意，只好返回辽东。魏忠贤又让党羽李蕃、崔呈秀、徐大化上书诋毁孙承宗。孙承宗于是请求罢官。
“能和魏忠贤斗，厉害。”刘辩感叹道。
给事中郭兴治请求朝中大臣讨论孙承宗的去留问题，很多人都弹劾孙承宗说他冒领军饷，而吏部尚书崔景荣支持孙承宗，朱由校于是下诏让孙承宗继续督师辽东，却让孙承宗精兵简将，减少军饷。而孙承宗刚刚派遣诸将分别驻守锦州、大小凌河、松山、杏山、石屯等地，扩张二百里，将尤世禄、李秉诚等将罢免，裁剪军队一万七千人，节省开支六十八万。
同年九月，马世龙误信降人降将刘伯漒，派鲁之甲、李承先袭取耀州，中计身死，损失四百余人。于是魏忠贤党羽趁机弹劾马世龙和孙承宗，孙承宗于是强烈请求辞官，十月，朱由校同意孙承宗辞官，并给孙承宗加特进光禄大夫，儿子世袭中书舍人，又赏赐蟒服、银币等，并派人保护孙承宗回家。而让兵部尚书高第为辽东经略。没过多久，安性也罢官，朱由校于是不再设立巡抚。
高第上任后，将两百里守兵全部撤回，退守山海关。而清努尔哈赤得知孙承宗辞职后，率军大举进攻。袁崇焕抗拒高第的命令，不肯撤出宁远城，与满桂、祖大寿等依靠昔日与孙承宗做的军事准备将清军击退，取得宁远大捷。而高第却试图以宁远被围，关门兵只有五万弹劾孙承宗，孙承宗告诉户部说:高第到山海关时领了十一万七千人的军饷，现在只给五万人的军饷就可以了。于是高第以妄言被治罪。魏忠贤也想陷害孙承宗，但也失败。
孙承宗督师辽东四年，前后修复九座大城，四十五座堡垒，招练兵马十一万，建立十二个车营、五个水营、两个火器营，八个前锋后劲营，制造甲胄、军用器械、弓矢、炮石等打仗用的装备有几百万，开疆扩土四百里，屯田五千顷，年收入十五万。朱由校记孙承宗大功，让他的儿子世袭锦衣卫千户。
袁崇焕先前为魏忠贤建立生祠，又擅自与清军讲和，后来为了议和又设计矫诏将牵制清军的东江毛文龙杀死，将登莱巡抚袁可立积数年之力经营的海上防务瓦解殆尽。同年十一月，清军大举进攻，从大安口直取遵化，快要直逼都城。朝中大臣奏请朱由检应该召来孙承宗。于是朱由检下诏仍以孙承宗原来的官职兼任兵部尚书去驻守通州。孙承宗入宫后，朱由检在平台召见，问孙承宗的退敌策略，孙承宗说:我听说袁崇焕驻守蓟州，满桂驻守顺义，侯世禄驻守三河，这是防守的好策略。但又听说尤世威回昌平，侯世禄驻守通州，有些不合时宜。朱由检问:你打算守三河是什么意思?孙承宗说:守三河可以阻止敌人西奔，遏制敌人南下。朱由检觉得孙承宗的计策很好，又问:那又要怎么保卫京都。孙承宗说:在危急的时刻，不能让守城人忍受饥饿寒冷，整备好军备，犒劳将士们，巩固人心。孙承宗的计策朱由检都觉得很好，于是对孙承宗说:你可以不去通州，就在京城总督内外军务，运筹帷幄。于是孙承宗让首辅韩爌修筑关防，又亲自到都城各处巡防，第二天半夜，朱由检突然传旨让孙承宗去守通州。孙承宗于是领二十七名骑兵出东便门，直奔通州，与保定巡抚解经传、御史方大任、总兵杨国栋固守通州。但不久之后，清军绕道直逼京都，孙承宗于是派遣尤岱率领三千骑兵支援，派遣刘国柱率领二千兵马与尤岱回合，调三千密云兵驻守东直门，五千保定兵驻守广宁门，又派人收复马兰、三屯二城。