1840年12月4日，琦善接任两广总督。他一意孤行，大量裁撤防兵练勇，拆除江底暗桩等障碍物，一厢情愿地希望早日与侵略者握手言和。当时，以待罪之身滞留广州的林则徐，以国家的安危为重，不辞辛劳地奔走于珠江各要隘，详细察看地形，向广东巡抚怡良提出加强内河设防的具体建议。1841年1月7日，英军乘虚侵占沙角、大角炮台，2月下旬侵占虎门要塞。林则徐积极参加广州城的防御工作，自雇水勇千人，准备抗击入侵广州之敌。他在写给长子林汝舟的信中，满怀激愤，痛斥琦善裁兵撤防，一意主和，以致“懈军心，颓士气，壮敌胆，蔑国威”，(《鸦片战争》(二)，第565页)导致作战失利。4月16日，林则徐奉命以四品卿衔赴浙江听候腧旨。行前，他向派到广东主持军务的靖逆将军奕山提出了体现其积极防御思想的六条御敌建议，衷心希望奕山等切实加强水陆设防，挫败英国侵略者，伸张军威国威。

    1841年6月中旬，林则徐到达浙江镇海。他不顾旅途劳累，到炮厂检查火炮的制造情况，到招宝山下的东岳宫观看试放洋炮，又登山检查新旧炮位，提出了增建炮台的建议。接著，又乘船到金鸡山，视察清军打靶以及修建炮垛、土炮台等工程。他与兵器专家龚振麟共同切磋，制成了四轮炮车，使火炮由“仅能直击”改进为能够“仰左右，旋转轰击”(魏源：《海国图志》卷八十六)。他还取出在广东绘制的外国战船图样，交给龚振麟造出了中西技术结合、行驶甚便的车轮战船。在短短一个月时间里，为海防建设作出了贡献。可是，道光帝竟于6月28日下令革去林则徐的四品卿衔，从重发往伊犁效力赎罪。

    7月14日，林则徐怀著悲愤和依恋的心情离开日夜操劳的抗敌前线，踏上遣戍的征途，决心做二个“荷戈西戍之老兵”。在镇江停留期间，与前来送行的好友魏源同宿一室，彻夜长谈，议论国是。在离开镇江前，把他在广州译编的《四洲志》交给魏源，委托他以此为基础，广泛收集资料，编撰介绍各国历史、地理的《海国图志》。到了扬州，又把收藏的《炮书》钞本付刊，热切希望对改进中国的铸炮技术有所禅益。

    这时，因开封祥符地段；的黄河决口，滔滔洪水淹没河南、安徽所辖6府10多个县。林则徐奉命转赴河南，协助钦差大臣王鼎办理河工。9月下旬，抵达祥符六堡工地。他不避艰险，不辞劳瘁，督率民工抢堵缺口。在那紧张抢险的日日夜夜，他仍然抽暇总结鸦片战争的经验教训，苦心探索抵御外国侵略者的方略。因为他已被剥夺了上疏的权利，所以只能在与门生故友的通信中阐述他的战略思想。在给门生戴纲孙的信中，阐述了建立强大水军的必要性。他说：侵略者的舰船忽南忽北，来去自如，而我国濒海口岸众多，防不胜防，如能组建一支有战斗力的水军，就能遏制敌舰的猖狂活动，不至于处处被动挨打。在给友人吴嘉宾的信中，强调作战应“奇正分用”，而在鸦片战争中，那些前线统兵将领，往往只知“将各队聚集一处，无所谓明诱暗袭诸法”，指挥十分笨拙，成为导致作战失利的一个重要原因。他说：在打了败仗，士气受挫以后，如不寻求出奇制胜之法，就更难战胜敌人。他还严厉批评清政府临时从内地征调“客兵”至海防前线仓促应战的作法，不仅劳民伤财，而且于战争毫无禅益，“即调数万之客兵，亦不过只供临敌之一哄。”(来新夏：《林则徐年谱》，第348—349页)

    1842年3月19日，河工告竣。王鼎本想把林则徐留下继续办理河工，但未能如愿。因为在抢堵黄河缺口期间，第二次北犯的英军先后侵占了定海，镇海、宁波，由扬威将军奕经指挥的浙东反攻作战招致失败。道光帝再次迁怒于抵抗派首领林则徐，下令仍发往伊犁效力赎罪。

    林则徐身在戍途，心系前线。当王鼎挥泪送别时，他赋诗盼志：“余生岂惜投豺虎，群策当思制犬羊。”(《云左山房诗钞》卷六)表示个人遣戍毫不足惜，只希望群策群力，找出克敌制胜的良策。8月11日，在古城西安与妻子离别时，写下了“苟利国家生死以，岂因祸福避趋之”(《云左山房诗钞》卷六)的悲壮诗句，反映了他忘我牺牲和坚贞爱国的高风亮节。9月，行抵兰州，尚未听到清政府已与英国签订丧权辱国的《南京条约》的消息，所以在写给友人的信中，仍然对英舰侵入长江，攻占镇江，表示“忧心如焚”。到了凉州(今武威)，又写下“小丑跳梁谁殄灭，中原揽辔望澄清，关山万里残宵梦，犹听江东战鼓声。”(《云左山房诗钞》卷六)壮怀激烈的诗篇，淋漓尽致地抒发他念念不忘抗敌御侮的爱国赤诚。

    与此同时，他继续总结鸦片战争的经验教训，进一步阐述自己的建军，作战思想。在写给友人苏石鳌的信中指出，侵略军所以能够毫无顾忌地进攻我国沿海城市，主要因为我国缺乏在海上打击敌人的工具。他殷切希望清政府尽快建设一支拥有大战船100艘，中小战船50艘，大小火炮1000门，水兵5000人，舵工水手1000人，由智勇兼备的将领指挥的水军，以便往来海中，追奔逐北，使侵略罕不敢离船登岸，攻城夺地。在给姚春木、王冬寿的信中，明确指出：“剿夷而不谋船炮水军，是自取败也。”同时，提出了“器良技熟，胆壮心齐”御敌“八字要言"。(《鸦片战争》(二)，第568—569页)这“八字要言”、实际上是他的人与武器必须紧密结合的建军思想的高度概括。他在广州购买外国战舰、火炮，整顿广东水师，加强部队训练，在浙江制造磨盘炮架和试制新式战船，都是上述建军思想的具体体现。他在嘉峪关外写给江翊云的信中，一针见血地指出；抗英战争的失败，主要由于文恬武嬉，政治腐败，同时也由于清军的武器落后，特别是缺乏强大的水军。他反覆强调建立一支强大的水师，充分反映了他的战略远见。

    1842年12月10日，饱受风刀霜剑的林则徐抵达伊犁惠远城戍所。他虽然冤枷在身，又有疾病折磨，身心备受摧残，但并未因此而消极颓唐，相反，爱国之心更加坚定。他针对沙俄觊觎中国西北的野心，悉心研究新疆的历史沿革和现实情况，积极探索备边御敌方略，向伊犁将军布彦泰提出了兴修水利，屯田实边的建议。1843年秋冬，他协助布彦泰办理原八旗兵驻屯的阿齐乌苏废地开发工程。1844年夏，捐资认修龙口水渠工程。此后，又奉命查勘南疆荒地。

    1845年春，年已花甲、体弱多病的林财徐，不顾风雪严寒，道路崎岖，历勘了库车，阿克苏、乌什、和田，喀什噶尔、叶尔羌、伊拉里克、塔尔纳沁等处的荒地，盾又转赴吐鲁番、哈密一带，风尘仆仆，行程二万里。在查勘过程中，他倡导兴修水利、并垦荒地。他推广的坎儿井和纺车，被新疆人民称为“林公井”和“林公车”。他把垦地拨给维族农民耕种，并把固定的屯兵制改为由当地驻军分期分批轮流进行耕种和训练的“操防制”，使军队与民众相结合，生产与练兵相结合，既发展了生产，又加强了边防建设。

    他不仅身体力行，而且呼吁有关方面重视边防建设。当他的朋友开明阿就任喀什噶尔领队大臣时，在临别赠诗中提醒开明阿不要为奶三载无边烽，华夷悉安堵”(《云左山房诗钞》卷七)的假象所迷惑，而应提高警惕，未雨绸缪，积极搞好边陲的战备工作。

    “荒碛碛长驱回鹘马，惊沙乱扑曼胡缨，但期绣陇成千顷，敢惮锋车历八城”。(《云左山房诗钞》卷七)因林则徐在新疆指导垦荒实边有功，1845年10月被清廷重新起用。他奉命以四品京堂回京候补。在进京途中，又奉命以三晶顶戴署理陕甘总督。1846年4月，任陕西巡抚，1847年4月，升任云贵总督。1850年春，因病辞职，回到已开辟为对外迩商口岸的福州原籍。

    在这段时间内，他奉命镇压过西北，西南少数民族人民起义，为维持封建统治尽力效劳。尽管如此，在民族矛盾日益尖锐的情况下，他始终注视著资本主义列强的侵华动向，坚持反抗外国侵略的斗争。1847年，广州人民反对英人入城斗争初步获胜，他得知后感到十分欣慰。1850年，他和福州的土绅共同商议，驱逐了违背条约规定、强行迁入城内居住的英人。为了防止英人利用舰船骚扰破坏，他亲乘扁舟至五虎门和闽安海口察看地形。提出了调兵、演炮、募勇以加强海防建设的建议。

    林则徐身居东南沿海，心中时刻关心西北边疆的安危。他根据在新疆的所见所闻，以及自1848年以来沙俄多次胁迫清政府开放伊犁，塔城为通商城市等情况，于1850年秋发出了“终为中国患者，其俄罗斯乎！”的警言。以后沙俄一再侵略中国，证实了他的战略预见。

    这时，广西天地会起义武装正在蓬勃发展，洪秀全、冯云山等组织的拜上帝会也在积极准备举旗起义。为了扑灭势将燎原的农民起义烽火，清政府于1850年10月任命林则徐为钦差大臣，前往镇压。11月5日，他抱病从福州起程，22日病死于广东普宁行馆，终年66岁。