林则徐富有治水经验，加之他办事认真，忠于职守，再有王鼎等人的配合协作，在经过了6个月的艰辛努力之后，1842年3月19日，祥符筑坝工程终于合龙，河水归道，水害消除。道光帝令林则徐前往开封治河时，曾许下过如有功可“赎罪”的诺言，现在林则徐废寝忘食，抢堵决口，治理水患，功不可没，理该受赏免罪了。王鼎等一些有正义感的官员也纷纷向道光皇帝奏折具陈，认为林则徐有胆有识，治河认真得力，要求皇上论功行赏，对其撤销遣戍，委以重任。然由于投降派环绕在道光周围，不断地对其进谗言，而且就在林则徐抢堵黄河缺口其间，第二次北犯的英军先后侵占了定海、镇海、宁波，由杨威将军奕经指挥的浙东反攻作战招致失败。道光帝在惊恐之中，再次迁怒于抵抗派首领林则徐，下令仍发往伊犁效力赎罪。在“皇纲独断”的封建专制制度下，谁又奈何得了“天子”，林则徐又要启程了，当王鼎等人挥泪送别时，他没有沉耽于个人荣辱的恩恩怨怨之中，仍然想着前线，忧着国家，他赋诗明志：“余生岂惜投豺虎，群策当思制犬羊。”（《云左山房诗钞》卷六）意为：我虽然在晚年被遣戍到豺虎出没的遥远边疆，但并没有什么可惜。目前最重要的是，大家群策群力想出好主意，去驱逐贪恶如犬羊的英国侵略者！后来，王鼎等人始终不忘林则徐的为人，多次要求道光帝起用林则徐，但都未果，王鼎竟至饮恨而死。太常寺卿唐鉴也深为林则徐的人格、能力折服，不止一次地冒死举荐林则徐，表示：我已老迈，推荐林则徐这样贤明的人才，在此一举！即使因为提了这件事而受到罢斥，甚至与林则徐一同遣戍边塞，也毫不遗憾。
1842年5月中旬，林则徐抵达西安，再往西行，路艰人稀，他不忍家人再跟着自己受苦，以“苟利国家生死之，岂因祸福避趋之”（《云左山房诗钞》卷六）的悲壮诗句，辞别了妻子，继续前行。9月，行抵兰州，由于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”。至凉州，又写下了“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）。这壮怀激烈的诗篇，淋漓尽致地抒发了他念念不忘抗敌御侮的爱国赤诚。
道路崎岖、大漠凄凉，林则徐离东海越来越远了，但他的心却没有一时片刻地丢下远在东南沿海的战争，在致友人的信函中，他仍然不时地阐述他的战略构想，认为诱敌深入，力图一举歼灭敌军的这种以陆战为主的战略思想，在英军深入浙东和长江内河以后，就应该逐渐为以海战为主的设想所取代，因为岸上的炮台是固定不能移动的，无法灵活机动地击歼各个方向的入侵敌舰，并无法躲避对方射来的炮弹。这叫做“彼以无定攻有定，我以有定敌无定”，所以作战时经常吃亏。为改变这种被动挨打的状况，变单纯防御为主动出击，林则徐认为必须在加强沿海炮台建设的同时，高度重视海战，才能真正做到巩固海防、捍卫疆土。根据这一战略思想，林则徐提出，要适应海战的需要，就要建立一支新式海军；要建立新式海军，就要赶制新式船炮，改善军事装备，并加强实战演习，提高军事技术，激发士兵斗志，发扬勇敢顽强的战斗精神。林则徐把这几个方面，概括为“器良技熟，胆壮心齐”八字御敌要言。
他甚至对一支新式海军应该包括哪些船只，船上配备多少大炮、水军，都作了具体的构想。提出这支海军应拥有大小战船100艘，中小战船50艘，大小火炮1000门，水兵5000人，舵工水手1000人，由智勇兼具的将领指挥，可以南追北逐，使侵略军不敢离船登岸。可以说，林则徐是中国近代史上提出创建新式海军的第一人，也是最早的身体力行者。早在1841年6月，在浙江定海，他就曾与兵器专家龚振麟共同切磋，尝试对火器进行改造，并制成四轮炮车，使火炮由“仅能直击”改进为能够“俯仰左右，旋转轰击”（魏源：《海国图志》卷八十六）。他还依照所见绘制成外国战船图样，供龚振麟参考，在此基础上，制造出行驶甚便的车轮战船。他在广州购买外国战舰、火炮，整顿广东水师，加强训练部队，等等，都是对自己建军思想的具体体现。只可惜，如今，作为“戴罪之身，”林则徐虽满腹经纶，也只是心有余而力不足了，只好寻找机会，通过别人来推行。他给两江总督牛鉴写信，说制造新式船炮和建立海军，是目前加强海防和抗击侵略的重要措施，应该高度重视，期待他能认真考虑和采纳自己的建议。在甘肃途中，听说陕西地方官正准备铸造大炮，林则徐喜不自胜，立即挥笔致书陕西大吏，告诉他们在铸造中必须注意的一些技术问题。痛思鸦片战争的失败，他一针见血地指出，文恬武嬉，政治腐败是其中不可忽视的原因。
林则徐的流放地是新疆的伊犁，从东海之滨，到塞外沙漠，重重关山，漫漫路途，林则徐在途中簸了共1年5个月，其艰辛和劳顿，非外人所能想像。横遭陷害，无罪受过，放逐边陲，对林则徐而言实在是人生之大不幸，但他却将自己的生死荣辱置之度外，身在戍途，心系国家，无论是在下笔艰难的马车上，还是在万叠关山的大漠间，魂牵梦索，始终放不下的是前线的抗敌，国家的安危。这是怎样一份深厚的爱国之情。
1842年12月10日，饱受风刀霜剑的林则徐抵达伊犁惠远城。这里人烟稀少、气候异常，疾病缠身的林则徐到边城后水土不服，鼻子出血，咳嗽多痰，夜不能寐，身体日益衰弱。所幸的是林则徐塞外遇知己，先期被发配至这里的邓廷桢早在广东禁烟时即成为他志同道合的伙伴，共同的志向，相似的遭遇使他们情同兄弟，互相支持和安慰。伊犁将军布彦泰一向仰慕林则徐，对他关怀备至，尊敬有加，经常向他请教有关边防政务的重大问题。在这远离家人的荒凉边疆，能受到这位封疆大吏的优礼相待，不仅使林则徐的生活有了一定的保障，精神上也是莫大的慰藉。孤寂凄凉的流放生活很容易使一个人意志消沉，林则徐告诫自己，要以宋朝苏东坡贬滴广东而未曾气馁为榜样，在有生之年，振奋精神，奔走于千里沙漠地带，为国建树，为民尽力。
新疆是祖国的西部门户，位于新疆最富庶地区的伊犁河流域的伊犁，是中国西部边陲的重镇。清政府统治新疆南北两路的伊犁将军，就驻节在这里。对于我国新疆地区，英、俄侵略者早就垂涎三尺，尤其是沙俄趁英国发动鸦片战争的机会，派出“商队”和“探险队”，到新疆地区大肆活动，阴谋把侵略势力伸入西北边地。林则徐在鸦片战争前，就已经注意到这个问题，曾与龚自珍等热心研究西北的历史地理。在《四洲志》中，就揭露了英、俄向外扩张的历史。指出，沙俄在清初侵犯中国黑龙江，虽然几次都被打回去，但他贼心不死，不可掉以轻心。此时，因为清政府在对英战争中打了败仗，对外一味忍让妥协，根本不把西北边陲的战守放在心里。林则徐看到沙俄虎视眈眈，所以到伊犁后不久，便发出了巩固西北边防、捍卫祖国疆土的强烈呼声。在赠送喀什噶尔领队大臣开明阿的诗中，说：“三载无边烽，华夷悉安堵”，“厝薪火难测，亡羊牢必补。”（《以送伊犁领军开子捷》）意思是说，不要因为辽阔的西陲暂时没有战事而高枕无忧，要时刻提防沙俄的窥视，积极备边，做到防患于未然。可见，他这时已觉察到，来自西北边境的沙俄威胁，与英国进犯东南一样，都是祖国的大患。
林则徐深入了解、调查新疆地区的实际情况，结合这里的客观条件，提出了一条行之有效的边防措施，那就是屯田备边。因为林则徐到新疆后，除了看到沙俄野心勃勃，必须及时加强国防外，又目睹了这里一片荒凉，百姓衣衫褴褛，赤足走路，一日只吃到几个冷饼，甚至用桑椹、瓜果充当粮食的穷困潦倒的景象，根据边防空虚和人民穷困这一实际情况，林则徐认为，要充实边防和改善人民生活，最好的办法是实行屯田备边。他建议将垦地分给当地维吾尔族人民耕种，并把原来的屯兵制改为操防制，使边防驻军既从事耕种土地，又进行军事训练，做到屯田与备边结合、兵与民结合，在西北边疆，筑起一道铜墙铁壁。
为了发展农业生产，改善人民生活，繁荣边疆经济，林则徐向布彦泰提出了开垦荒地的要求，布彦泰采纳了他的意见。从1843年秋天开始，林则徐以他衰老的病躯，不辞劳瘁，负责开垦惠远城东边的阿齐乌苏荒地。在这一望无际的荒地上，要将严重缺水的不毛之地变成肥沃良田，除开挖渠道，引水灌溉，别无他途。林则徐以60岁的高龄，亲自带领民工，在塞外荒无人烟的地区，挑挖沙石，建坝筑堤，足足花了4个月的时间，修成了一条6里长的大水渠。这条水渠修通后，垦地得到受益，屯田收到显著效果。从1843年秋到1845年11月，在大约两年的时间里，林则徐不顾风雨严寒、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，后又转赴吐鲁番、哈密一带，风尘仆仆，行程二万里，为开发新疆、开垦荒田做出了重要贡献。
林则徐在新疆的另一项重要贡献，是重视兴修水利，改善农田灌溉。他认为这里雨少地干，风沙弥漫，必须配备良好的水利条件，才能保证农业生产的发展。因此，每到一地，在勘垦荒地的同时，他还经常组织群众寻找水源，挖掘大小渠道，引水入地，浇灌农田。在吐鲁番，林则徐发现一种被当地人民称作“坎儿井”的水利设施，看到水在土中穿穴而流，惊叹不已，后经询问当地群众，才知道这是一种因地制宜的水利工程。这一发现对于一向重视农田水利，并热切希望变荒凉西陲为富饶江南的林则徐来说，实在是太高兴了。他很快把这一传统的灌溉方法加以改进，推广到各地，领导人民修建了许多“坎儿井”，使大片干旱土地变成了绿洲沃壤，促进了农业生产的发展。
另外，林则徐在新疆积极传播纺纱技术，也受到当地群众的赞扬。内地人民使用的纺车，很早就传入吐鲁番等产棉地区，但一向不被重视。林则徐认为像吐鲁番这样的产棉地区，棉多质好，更应该提高棉纺技术，不断改善纺纱质量。在他的倡导下，各地纷纷采用纺车，使内地纺纱技术得到比较广泛的推广。当地人民就把林则徐积极推广的纺车，称为“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。
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，奉命以四品京堂回京候补。进京途中，又奉命以三品顶戴署理陕甘总督。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，回到已开辟为对外通商口岸的福州原籍。
在这段时间内，他奉命镇压过西北、西南少数民族人民起义，为维护封建统治尽力效劳。尽管如此，在民族矛盾日益尖锐的情况下，他始终注视着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，得知喜讯，他感到十分欣慰。1850年，他和福州的士绅共同商议，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，他亲乘扁舟到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。塔城为通商城市等有关情况，于1850年秋发出了“终为中国患者，其俄罗斯乎”的警言。此后，沙俄一再侵略中国的史实，验证了他的战略预见。
这时，广西天地会起义正在蓬勃发展，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月任刎则徐为钦差大臣，前往镇压。11月5日，他抱病从福州启程，22日病死于广东普宁行馆，终年66岁。林则徐是清朝封建统治阶级中一个重要成员，由于阶级和时代的局限，他曾经屡次站在农民阶级的对立面，并死在前往镇压太平天国的途中，在他一生的最后时刻，留下了不光彩的一笔。但这只是林则徐生平中的一个组成部分，他一生中的大量言行说明他是封建社会里的一名有作为的官员，也是中国近代史上具有远见卓识的爱国者。