在此期间，袁崇焕因为在应对建奴的战略上，与王在晋发生了分歧。
王在晋认为，抗击建奴应采用重关战略（即重视山海关，将山海关作为防御支点，并在山海关外八里铺另修边墙和关隘以加强）。
袁崇焕则反对重关战略，主张以关外的宁远（今辽宁省兴城市）为防御支点。
为了抵制重关战略，袁崇焕向时任内阁首辅的叶向高上书反映情况。
叶向高原本是打算亲自去山海关查看情况的，但另一阁臣孙承宗请求自己去，于是便由孙承宗巡视山海关。
孙承宗在经过一番实际勘察之后，在这两个方案上倾向袁崇焕的主张，并在回京后，向天启帝夸赞袁崇焕，“英发贴实，绰有担当，自愿为大将”，准备对他加以历练栽培。
后来天启帝召王在晋回京，重新委任孙承宗为督师，主持辽东事宜。
与此同时，山石兵备道阎鸣泰升任辽东巡抚，袁崇焕则接任了他的山石兵备道一职。
孙承宗到达山海关以后，安排袁崇焕负责修建营房的工作，负责安插辽民于关外诸城堡。
袁崇焕在任上，“内拊军民，外饬边备，劳绩大着”，但同时也有人说他办事专断，不喜听人的建议。
后来，辽东巡抚阎鸣泰令袁崇焕去检阅新兵，核实新兵人数，防止有人吃空饷。
在核查期间，袁崇焕发现有军官雇人参军，然后再将人放走吃空饷。
袁崇焕直接斩杀了那名军官，事后也未报告。
孙承宗在得知此事，质问袁崇焕不上报的缘由，袁崇焕只推诿说自己是奉巡抚之命。
孙承宗怒责其，“未杀不以请，既杀不以闻，其有无激变帖服不以告”。袁崇焕虽顿首谢罪，但不以为然。
天启三年（1623年）二月，孙承宗率辽东的文武官员出巡关外。
一行人抵达宁远时，孙承宗虽认可宁远城的战略地位重要，但并未表态以此为辽东防御的重点。
而接替阎鸣泰出任辽东巡抚的张凤翼则主张重点把守山海关而非宁远，山海关总兵马世龙则主张重点把守中后所（今辽宁省绥中县）。
当时恰逢孙承宗的老部下茅元仪，被孙承宗召至觉华岛商讨辽东战局的事宜你。
袁崇焕希望茅元仪能劝孙承宗，在重点防守宁远还是山海关的问题上拍板。
在茅元仪的推动下，孙承宗于当年九月第二次巡视宁远，并正式决定以宁远城为辽东防御重点。
后来，在袁崇焕和茅元仪的推荐下，由满桂出任宁远守将，袁崇焕本人也出驻宁远，与满桂、祖大寿（时名祖天寿）等擘画修筑城池与防卫事宜。
经过一段时间的经营与建设，宁远城拔地而起，时曰宁远城，“商旅辐辏，流移骈集，远近望为乐士，军民五万余家，屯种至五十里，远近莫不归附”。
在宁远城的建设取得巨大成功之后，袁崇焕得意地给大明内阁写信道：“不肖在宁远，长安（代指北京）可高枕而卧也！”
天启四年（1624年），孙承宗安排袁崇焕卸任山石兵备道，专管宁远等处兵备、屯田、马政。
袁崇焕在任上，监督筑城、煮盐炼铁、兴举屯田、操办马政、修造舟车、核兵定饷、筹备粮料、演练车战、招抚蒙古、谋划战守，积极协助孙承宗构筑关宁锦防线。
袁崇焕由此成为孙承宗督师期间“最托重者”。
天启四年（1624年）九月，袁崇焕升正四品兵备副使，再进从三品山东布政司右参政，兼按察司佥事。
十月，袁崇焕得知父丧，准备回乡守孝，行至丰润县，接到天启帝的夺情起复之命而返任辽东。
天启五年（1625年）九月，明军在辽东与建奴的柳河之役中大败。
袁崇焕阻挡大明的士卒奔溃，并收拢残兵，组织安排他们各自回到自己的驻地防守，从而保全了明军的实力，防止了战局的进一步恶化。
十月，孙承宗因为柳河之役的大败而引咎辞职。
袁崇焕因此对朝廷深感失望，见到孙承宗就流泪，甚至请求和孙承宗一起辞职。
孙承宗辞职后，新任的辽东经略高第到任辽东不久，即命锦州、右屯卫、宁远、前屯卫等处的军民入关，尽弃关外之地。
袁崇焕上书抗议，认为锦州、右屯卫、大凌城，这三城绝不可轻易弃守。
如果弃守这三城，那么只会“示敌以弱，非但东奴（后金），西虏（蒙古）亦轻中国”，而且会使“宁（远）、前（屯卫）震惊，（山海）关门失障”。
同时袁崇焕还表示：“宁前道当与宁前为存亡，如撤宁前兵，宁前道必不入，独卧孤城，以当虏耳！”
在高第的命令下，关外诸城的明军大都撤入关内，只有袁崇焕拒绝了高第的命令。
由于高第无法强迫袁崇焕撤离，因此关外诸城只剩宁远还在坚守。
十二月，广西道御史王珙上疏称赞袁崇焕，“清操伟略”，请求给他升官，明廷遂升袁崇焕为山东按察使（正三品），仍管宁前道事。
天启六年（1626年）正月，努尔哈赤亲征辽西。
袁崇焕在得知努尔哈赤率军渡过辽河之后，马上进行了军事部署。
他安排满桂负责宁远全城防务，东南方为面对建奴大军的首冲之地。
此处的防卫由满桂亲自负责，左辅负责西面，祖大寿负责南面，朱梅负责北面。
此时的宁远城，刚刚获得了朝廷划拨的十一门红衣大炮（红夷大炮），袁崇焕对此炮的威力十分满意，企图借助十一门红夷大炮的巨大威力退敌。
袁崇焕除了积极备战城防外，还在战略上采取坚壁清野之策，焚毁城外民居、积储。
在宁远城的战略动向大会上，袁崇焕对着全城的军民说道，“本道（袁崇焕自称）定与此城为存亡，而本道申明内有各将领或守或援，俱当与本道为存亡。
结连一处，彼此同心，死中求生，必生无死。但恐贤愚不一，除临阵退缩，本道法所得及，径于军前诛之。”
为坚定将士守城决心，袁崇焕诛杀临阵退缩的逃兵，并移檄前屯卫总兵赵率教、山海关总兵杨麒，说凡见逃兵即以间谍论，逮捕处死。
若有一兵溃入前屯卫，一卒逃进关内，则问罪赵、杨二将。
袁崇焕又给山海关管关的主事陈祖苞写信，嘱咐他不得放改服潜逃的兵士入关。
由此，宁远将士“皆无退志”。
袁崇焕还当面恳请经略高第不要出兵援助，以谋求“置之死地而后生”。
在决战前，袁崇焕刺血为书，向全体将士下拜，吃着草激励他们说：“苟能同心死守，吾为牛羊以报，亦所甘也！”将士都为之感动，请求拼死一战。