就这样，孙承宗来到山海关进行督师，孙承宗到了山海关以后，拜马世龙为大帅，以鹿善继、茅元仪为赞画，选拔培养重用了袁崇焕、满桂、赵率教等一批忠心耿耿又很有才华的文武将领。经过四年的苦心经营，招募组训了十几万辽军，收复了四百余里曾被后金军队占领的失地，修筑大城九座，小城堡四十余座，屯田五千多顷，安置了数十万战争难民，逼迫努尔哈赤后退了七百里，营造了一条令后金军队望而生畏的关宁防线，为后来的宁远大捷和宁锦大捷奠定了基础。在关宁期间，他制定了以辽土养辽民，以辽民守辽土的基本方针和稳固防守，逐步前进，渐图恢复的基本战略，使局势一度发生了很大变化，明朝军队逐步从守势转为攻势，从被动转为主动。
与此同时，他还巧妙地理顺了与西部蒙古各个部落之间的关系，从而保证了京师北面边疆不受威胁。他还做出了将战车、舰船和火器结合在一起的创举，创建了以热兵器为主要杀伤手段的十二车营和中国历史上的第一支以火器为主要装备的海军，还组建了从海上登陆作战的两栖部队，并撰写了专门论述火器车战战术技术的军事著作《车营百八扣》。他还用计成功策反了努尔哈赤的养子刘兴祚归顺明朝，为以后收复失地创造条件。
就在孙承宗雄心勃勃地准备在边疆大展身手的时候，朝廷之内发生了重大变故。阉党头目魏忠贤开始祸乱朝政。他害怕孙承宗在边疆立功，影响他们在朝中专权，就想方设法为孙承宗制造障碍。
为了收复失地，孙承宗向朝廷申请经费二十四万两，心怀叵测的魏忠贤让户部、兵部互相推诿，耽搁时间，从而错过了进攻后金的在好时机。与此同时，他们还鼓动皇上下旨让山海关精简兵马，理由当然听起来好像对国家有好处，实际上等于自毁长城。他们还挑孙承宗身边的那些文武将领的毛病，让他们不能安心地工作。正是由于这些罪恶的阉党从中捣乱，孙承宗进攻后金收复领土的计划无法落实。在搅乱边防的同时，阉党又在朝中疯狂地迫害主持正义的杨涟、左光斗等东林党人。
为了让东林党等朝中的正直人士免受迫害，孙承宗想利用进京为皇上祝寿的机会，当面进谏。魏忠贤听到这个消息非常吃惊，抢先在皇帝面前诬蔑孙承宗要搞“清君侧”，是没安好心，阻挠孙承宗进京。孙承宗走到通州的时候，被皇差挡回山海关。从那之后，孙承宗成了魏忠贤的眼中钉、肉中刺，天启五年十月孙承宗终于被排挤出朝廷，回到了高阳老家，做了四年平民百姓。
努尔哈赤听说孙承宗被免职了，立即率八旗大军来攻。魏忠贤的亲信、辽东经略高第一听金军来了，吓得浑身发抖，立即命令关外官兵全部撤回山海关，兵熊熊一个，将熊熊一窝。官兵们得到撤退的命令，拼命地往回跑，撤退变成了溃逃。孙承宗苦心缔造的十二车营战车被丢到了沟里。
驻守在宁远的宁前道袁崇焕抗命不撤，与总兵满桂等人在宁远城创造了奇迹，他们用红夷大炮打得清军狼狈不堪，灰溜溜地撤了回去。后来袁崇焕被任命为辽东巡抚。努尔哈赤回到沈阳后不久病死，皇太极继承皇位，又率领大军进犯。在锦州、宁远被袁崇焕、赵率教打败。明军利用孙承宗缔造的关宁防线取得了宁远、宁锦两次大捷。可是大奸臣魏忠贤却贪天之功为己有，将功劳算在了自己的头上。不久，又将忠心耿耿的袁崇焕削职为民。
熹宗皇帝朱由校病死后，他五弟朱由检即位，也就是崇祯皇帝。朱由检一上台就除掉了大奸臣魏忠贤，平反东林冤狱，一时间普天之下一片欢呼。崇祯皇帝召回了袁崇焕，任命为督师，袁崇焕见有了这么英明的天子，当时的心情是非常激动的，他承诺说要用五年的时间恢复辽东，他哪里想到呀，这是这个他寄予了无限希望的皇帝，不久就把他给千刀万剐了。
崇祯二年的秋天，皇太极的大队人马绕过关宁防线，进入长城。在京师震动的危急时刻，孙承宗被官复原职，担负起了护卫京师，节制各路援军的重任。孙承宗一上任，就不辞劳苦，连夜巡视北京内城外城，布置防御工事。第二天，皇帝又命令孙承宗到通州去镇守。当时，城外敌军遍地都是，孙承宗与茅元仪只率领了几十个骑兵，冒着很大的风险，冲出东便门，到通州去执行御敌的任务。
袁崇焕在关外听说金兵已经入关了，急忙命令山海关大将赵率教先带领精兵入关保卫京师，赵率教的部队在遵化附近被后金军打败，赵率教英勇牺牲。袁崇焕率听到消息后立即带主力部队以很快的速度入关，在遵化追上了后金军。清军统帅皇太极却不与袁崇焕交战，而是直接杀向北京，袁崇焕只好也向北京开进。双方在广渠门外摆开了战场，孙承宗从通州派三千劲旅赶来支援，这才打败了后金军。
皇太极退兵之后，成功地使用反间计，使明朝廷杀掉了他们最害怕的袁崇焕。不久，辽军总兵官左大寿与副将何可纲率领辽军向东溃逃，退出战场，返回关外，皇帝听到这个消息吓得晚上睡觉噩梦连连，朝廷上下人心惶惶。
在这种情况下，孙承宗独立承担了击退后金军的重任，孙承宗一方面调度援军，保卫北京安全，同时派遣大将，对祖大寿晓以大义，明以利害，终于追还溃将，使他们重回山海关。孙承宗又派战船出海，袭扰敌后，迫使皇太极撤出关外。接着，孙承宗运筹帷幄，从容指挥，调动马世龙、祖大寿东西两路大军，收复了皇太极撤退后留下固守的永平、滦州、迁安、遵化四镇，在关内肃清了后金武装。此后孙承宗东巡关宁，西阅蓟镇，向皇上提出了一整套捍卫边疆安全的意见。
孙承宗由于过于劳累，身体越来越差，经常便血，不能骑马。多次要求告老还乡，皇上都不批准。这个时朝廷的大权又逐渐被奸臣执掌了。兵部尚书为了在关宁安排自己的亲信，派遣邱禾嘉为辽东巡抚，这个人一到任就处处找孙承宗的别扭。
邱禾嘉好大喜功，提出了收复广宁的建议。孙承宗认为那是不切合实际的，他主张修筑大凌河，但由于邱禾嘉从中作梗，使工期一误再误，后金出兵包围了大凌河，发动了长山之战，明朝军队在长山之战中受到重大挫折，祖大寿向皇太极假降，何可纲自杀殉国。那些不怀好意的权臣就以此为借口弹劾孙承宗，已经是69岁的孙承宗再一次被解职回家。
孙承宗回家之后，开始埋头于《督师全书》、《古今中官志》、《高阳集》等著作之中，还经与鹿善继、孙奇逢等人切磋学问，同时教育子孙，助民致富。到了崇祯九年，金兵又从西线入关，退休在家乡江村讲学的鹿善继入定兴县城御敌，城破牺牲。孙承宗前往哭灵，祭奠忠魂。为了防备清军进攻，他动员在山东当县令的长子孙铨捐资买砖，把高阳土城建成了砖城。崇祯十一年十月，清睿亲王多尔衮又一次率军踏破长城，侵犯畿南。好友蔡鼎等劝说孙承宗到保定避难，茅元仪则说服孙承宗到南方去，孙承宗都婉言拒绝了，他说：“我都这一把年纪了，没什么可怕的了，如果能有机会战死疆场，也算是死得其所了。”
就这样，在清兵向高阳进攻的时候，孙承宗以76岁的高龄，率领全家及高阳民众奋起抵抗，由于兵力相差过于悬殊，高阳城很快就被攻破了。孙承宗被清兵抓获。多尔衮听说抓到了孙承宗，挺高兴的，亲自来劝降，但都被孙承宗拒绝了。
最后，孙承宗坐在一张椅子上，令两个清兵用白绫将自己勒死，从容而又壮烈地结束了自己的生命。在保卫高阳的战斗中，孙承宗五个儿子、两个侄子，12个孙子、侄孙子殉国，全家老小40人遇难，满门忠贞，千古英烈，慷慨悲歌响彻燕赵，人格气节辉映中华。
