巡行辽东
天启元年（1621年），孙承宗官升少詹事。同年，后金（清）侵犯辽东，沈阳、辽阳先后被攻陷，辽东经略袁应泰自杀。御史方震孺奏请朱由校以孙承宗代替崔景荣为兵部尚书，朝中大臣也认为孙承宗知晓兵事，推举孙承宗为兵部添设侍郎，主持辽东防务。但朱由校不想让孙承宗离开自己，大臣们再三奏请都遭到拒绝。[7]
天启二年（1622年），孙承宗被任命为礼部右侍郎。清军再次入侵，广宁城守王化贞弃城逃走，经略熊廷弼退守山海关。兵部尚书张鹤鸣害怕被降罪，于是外出巡行。朱由校于是拜孙承宗为兵部尚书，并兼任东阁大学士。孙承宗上书给皇帝朱由校说这几年没怎么练兵，军饷也难以核实，用武将上阵杀敌却用文官指挥，文官的权利太大，对作战极为不利。建议朱由校应该加大武将的权利，并且选一个有雄才大略的武将，给他假节的权利，让他可以自己任命帐下的偏将。朱由校在孙承宗的建议下，抚恤辽东百姓，精简京师军队，增设永平大帅，修建蓟镇亭障，开京东屯田等。孙承宗又奏请将熊廷弼、王化贞交给司法部门治罪，以正朝纲，又将给事中明时举、御史李达逮捕，治他们因招兵而引来战祸，又责备辽东巡按方震孺、登莱监军梁之垣、蓟州兵备邵可立，用以警告那些曲意依从，没有骨气的将领。很多人因为孙承宗受到责罚，对孙承宗感到敬畏，但也有很多怨恨孙承宗的人。[8]
熊廷弼被罢免后，朝廷以王在晋为辽东经略。王在晋上任后打算袭取广宁，但总督王象乾认为就算能攻取广宁，但也不容易守住，还不如重守山海关防卫京都。于是王在晋在山海关外八里铺修筑重关，留四万人马去守。[9]袁崇焕认为王在晋此举不是好的策略，与王在晋争辩无果后，上书给首辅叶向高。[10]叶向高却认为不能凭主观猜测，于是孙承宗请求亲自前往辽东决断。朱由校非常高兴，加封孙承宗为太子太保，并赏赐蟒袍玉带银币等。[11]
孙承宗到达山海关后，巡行边塞，袁崇焕向孙承宗请示道：“在宁远驻扎五千兵力，以壮十三山的声势，然后派遣将领带兵去救援十三山。宁远距离十三山只有两百里，可以轻易占据锦州，如果不行再退守宁远，怎么能放弃十万难民？”孙承宗于是与总督王象乾商议，王象乾认为驻扎关上的军队刚刚打了败仗，士气沮丧，不如调动插部护关的军队三千人前往宁远，孙承宗同意后一方面调兵前往宁远，一方面让王在晋去救难民，但王在晋却救援失败，十万难民只救回六千人。[12]
孙承宗对此非常生气，询问王在晋：“新城修筑好以后，是不是要将旧城的兵马移四万人来驻守？”王在晋说：“不是，应该另外设立一支四万人的军队。”孙承宗说：“这样一来，八里铺就有八万兵了，可是一片石西北不派兵驻守吗？在八里铺内修筑重关，新城后面就是旧城，旧城前面埋的地雷是用来对付敌人的，还是用来对付自己新兵的？新城可以守的话，还用得着旧城吗？新城要是不能守，四万守兵倒戈，你是打算开关放敌人进来，还是闭关投降敌人？”王在晋说：“关外有三道关可以进入。”孙承宗说：“如果这样的话，敌人兵临城下，士兵像先前那样逃跑，哪里还用得上重关？”王在晋说：“准备在山上建三座营寨，防止士兵溃逃。”孙承宗说：“士兵没有溃败就修筑营寨等待他们，你这是在教士兵逃跑吗？况且逃跑的士兵可以进来，敌人也可以尾随他们进来。你现在不为恢复做打算，却在这闭关自守，把关外防线全部撤离，还天天在朝廷争斗，京都以东还有安宁之日吗？”王在晋无话可说，孙承宗于是召集诸将商议关外防守的问题。袁崇焕主张守宁远，阎鸣泰主张守觉华岛，王在晋主张守中前所。[13]孙承宗采用袁崇焕的建议，并亲自镇守关门。[14]而后明熹宗在孙承宗的建议下罢免了王在晋的辽东经略之职。[15]