熊廷弼巡按辽东三年，上疏数十次，所言切中要点、入木三分。屡次给明朝辽东的军事防务指出了峰回路转、柳暗花明的妙计。
在辽东的三年，熊廷弼整顿军队，惩治贪污腐败，提拔各种人才，严格军纪充实营伍，使得辽东军队的风貌大为改善。他还实行屯田制，裁撤老弱士兵，组织其开垦荒地，并修建了城堡和粮仓，防止女真骑兵前来劫掠，三年之内屯积粮谷三十万石。
在外交战略上，其努力改善与叶赫部、蒙族各部的关系，联弱打强，使辽东的军事防务得到了翻天覆地的变化，明朝辽东边疆得以稳定。
他所执行的”实内固外，以夷制夷“的战略方针。使努尔哈赤承受了巨大的压力，不得不采取退缩方针，退还明朝故地，与明朝和好。
万历三十九年，熊廷弼巡按辽东任期已满，离开辽东，督学南直隶。此地是东林党的发祥之地，一党独尊，但是熊廷弼到任后”所拔皆名士，所进皆寒微，所罢黜皆乡绅津要子弟，而东林子弟居多。“
当时的首辅叶向高，也是东林出身，他之所以能入阁，多亏江南东林子弟在人力和物力上的支持，而熊廷弼上任后却对其根基痛切打击，这导致叶向高对熊廷弼非常不满。最终因为熊廷弼打死闹事的学生，被趁机罢官去职。
直到万历四十七年，努尔哈起兵反明，在萨尔浒打败辽东经略杨镐率领的十万明军，统一了建州女真和海西女真各部。明朝政府一直运用的“分而治之”的政策彻底失败，后金国军威大震，声闻天下。
在这种局面下，朝廷重新启用熊廷弼。熊廷弼临危受命，毫不犹豫的踏上了回京之路。被任命为兵部右侍郎兼右金都御史经略辽东，统领整个辽东事务。
熊廷弼上任后面对兵败后的乱局，先是整肃军纪，将临阵脱逃的的将领尽数诛杀，提拔有功能战的军官。然后设置祭坛祭奠抚恤死难的将士，惩治克扣粮饷的文官，先把军队稳定了下来。
然后招抚流民，还乡生产，巩固稳定自己的内部安定人心。针对明军将士士气低落的现状，熊廷弼决定部署防务，以守待攻。督促军士造战车，治火器，修筑城池，充实军备，计划构筑辽河防线，集中十八万兵力分布阳、清河、抚顺、柴河、采取持久防御方针。
熊廷弼分析后金军事行动的目的，在于“专心并力，以图我辽沈。”于是制定进剿、恢复、固守三个战略步骤。他说：“善行师者，行必结阵，止必立营，见可而进，知难而止，贮放粮草，兼作退步。”
调总兵官李怀信率军戍守辽阳门户首山要塞，不时派小股部队更番迭出，袭击后金军队。仅几个月工夫，经过熊廷弼的一番整顿，后金再也不敢进攻，使朝夕难保的辽东，形势有了好转。
历四十八年(1620)，明神宗死，光宗、熹宗先后继位，朝廷内部在辽东防务问题上意见不一，互相攻击。御史冯三元、张修德和给事中魏应嘉等一部分官僚，也都先后攻击熊廷弼.“无谋”、“欺君”，不敢主动出击速战速决。
熊廷弼受专权的党的牵制，他的积极固守计划无法实现，更谈不上恢复和进剿了。这次他经略辽东仅仅一年零三个月，尽管有“威慑夷虏，力保危城”之功，但仍被迫自行辞职。
代替熊廷弼的袁应泰不熟悉军事，改变了熊廷弼的积极防御计划，盲目地进攻后金，屡吃败仗。结果，袁应泰上任只四个月，被熊廷弼称为“神京左臂”的沈阳和辽东首府辽阳俱为努尔哈赤攻占。袁应泰见大势已去，举家自杀。
熹宗不得不承认：“熊廷弼守辽一载，未有大失：换过袁应泰，一败涂地!’辽阳之败，辽河以东的海、盖、复、金等七十余城均为后金占领，使明与后金的力量对比发生了根本的变化，标志着明朝在东北的统治即将结束。
