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。