广州是中国在鸦片战争前惟一对外开启的门户，禁烟是一场与英国不法商人甚至是英国政府之间的较量，虽然林则徐在当时对于西方的了解还处于最初的阶段，对英国殖民主义者的本质和鸦片战争的必然性还没能洞悉、明了，但在国之门口与英国人就缴烟、具结、惩凶等问题进行交涉和斗争可能会引起“边衅”，他是有思想准备的。所以早在林则徐到达广州的那一天起，就一刻也没有忽视对国防的加强。在两广总督邓廷桢和水师提督关天培的协助下，林则徐深入调查了广东地区的水陆形势和军事布防，认为位于东莞县的虎门要塞，素有祖国南大门之称，是珠江口外的重要门户，也是广州的屏障，扼守虎门是保卫广州及将敌人阻之于国门之外的关键所在。由于清政府政治的腐败及经济的窘迫，致使军备废弛。军事设施简陋，虎门要塞的状况令人堪忧。虽有关天培的几年苦心经营，陆续添筑了几座炮台，但比照其所具有的战略意义，仍然不能让人放心。林则徐来到广州，便在关天培原先筹划建造的基础上进一步加强扩建。当时，在虎门共设置了三道防线：第一道是位于海口的沙角、大角炮台，东西对峙，隔海相望，严密监视着海面；第二道是镇远、威远、靖远、横档等炮台，其中靖远炮台属于新建，安放了60门大炮，是虎门海口炮台中火力最强的一座；第三道是大虎山炮台，为虎门的最后一道防线。这三道防线，遥相呼应，在第二道防线的武山和横档之间江面最狭窄的地方，还安置了两道铁链和木排。经过林则徐的精心筹划，层层布防，虎门要塞称得上固若金汤了，只要作战时指挥得当，上下一致，互相配合，是可以克敌制胜的。这种防御措施，是与林则徐的守战战略相一致的，仍属于传统的防守方略。
有了炮台，还需有新式大炮来装备。原来的大炮炮身小、蜂眼多，炮简易炸裂，而且射程短，甚至缺乏瞄准器，更新势在必行。林则徐组织力量，赶造出5000斤至8000斤重的多门大炮，又派人到澳门、新加坡购买葡萄牙和英国制造的新式大炮二、三百门。不仅为新修筑的炮台配备了大炮，而且对老炮台的旧炮进行了更换。这样，虎门要塞各处新旧炮台的防卫力量就大为改观。
整顿广东水师，增强海上防卫力量，是林则徐备战工作的重要组成部分。林则徐来广东后，先后往这一带调防兵勇共有8000多名，以中路防线为重点，兵力配置达5100多名，其中虎门兵勇3000名，澳门兵勇1300多名，尖沙咀兵勇800余名，另有1000多名机动。数量增加了，如果纪律不严，操练不勤，也难保证御敌能力的提高，林则徐注意到了这一点，他对水师的整顿是从处分玩忽职守的将领，购买、自造船艇，加强军事操练等几个方面同时入手的。还在虎门销烟期间，林则徐就严厉地处分了不重视海上巡防的南澳镇总兵沈镇邦。海门营参将水师提标左营游击谢国泰等人，同时裁撤老弱兵勇，增添精壮新兵。为了提高水师战斗力，他从广东、福建各地招募了一批船只，又派人搜集国内外各种战船的资料、图式，按照欧洲和越南的造船式样，修造了七、八艘新船。后来，还向美国商人购买了一艘900余吨的商船，将其改装成兵船，配备外国新式大炮34门。关天培奉林则徐命令，认真负责广东水师的训练。他号令严明，指挥得当，水师将弁不畏劳苦，日演夜习，一段时间以后，原来纪律松弛、缺乏训练的广东水师，经过林则徐、关天培的努力整顿，严格操练，已成为一支能攻善守的海上防卫力量。
虽从各地调来一些水师，但相对于漫长的海岸线，处处驻防仍是难以承担。为了抗击外国侵略者，保护疆域的完整、国家的安全，林则徐从封建的雷池中越出了极为可贵的一步，提出了“民心可用”的主张。林则徐无论是入仕之前，还是入仕之后，始终将眼光兼顾百姓，他所采取的每一项施政方针也几乎都曾得到人民群众的支持，那防洪工地上劳动群众的积极参与、虎门海滩旁大众对他销禁的欢呼与支持，时时鼓舞着这位封建的士大夫，如今。面对英国军舰随时可能的侵略，他自然地想到了这些爱国护家的普通人，决定从沿海各地的渔民、渔户中招募水勇5000名，以弥补正规军之不足。招募告示贴出后，广州附近的群众应募者络绎不绝。水勇组成后，立即进行军事操练，特别是练习深夜火攻敌船的战术。这些人自小生活在水边，不怕惊涛骇浪，现在又掌握了杀敌的本领，更是勇猛异常，锐不可当。林则徐指示，如果英国侵略军开进内河，人人都可以动刀杀敌。一时间广州众志成城，严阵以待。当然，林则徐是个封建官员，由于阶级立场的限制，他对人民群众的发动和依靠不可能是完全彻底的，但较之“防民胜于防寇”的投降派，他这种依靠民众进行民族战争的信念是难能可贵的。
林则徐虽是文人，却并不是军事的门外汉。基于自己对中英双方在军事上的优劣长短，他制定出了“以守为战，以逸待劳”的战略方针。这一战略方针的依据是：英国侵略者船坚炮利，善于海战，是其所长，但路远师劳，给养困难，是其所短；中国方面则相反，弱点是船旧炮少，不利海战，优点是在本国与敌人交手，兵源、粮饷充裕。根据这一情况，敌人急于在大规模海战中速战速决，而我方则适合持久作战。要战胜敌人，就必须扬长避短，避免与对方在海上正面交锋，激发军民爱国热情，以逸待劳，扼守海口，断其接济，围困敌人于外洋，持久作战，不懈不怠，直到最后打垮侵略者。与此同时，也要利用敌人远离本国，战舰漂泊海上，我方便于进行近攻的有利条件，组织水勇乘船火攻。可见，“以守为战，以逸待劳”的战略方针，并不是单纯的防守，而是在立足于守的同时，捕捉有利时机，灵活机动地袭击敌人。这个作战方针是在对客观情况进行充分论政的基础上而提出的。深入细致，调查研究，针对客观实际，切实解决问题是林则徐一贯的作风，内政外交，莫不如是。尽管他对英国发动大规模的武装进攻还缺乏足够的思想准备，并且不免有过高估计清军的力量，过低估计英军实力的倾向，但他能够认识到在海上敌强我弱的基本事实，具体分析侵略者的长处和短处，据以制定积极防御的战略方针，这在当时一般的封建官吏是无法企及的。
与此同时，林则徐还组织人员搞译有关重炮操作的资料，搜集制造火炮的书籍，仿照外国战船样式试制新式战船，购买外轮改装成战船，交给广东水师驾驶操练，掌握先进的技战术，以改变清军武器装备的落后状态，提高反侵略战争的作战能力。这些事实表明，他在当时已经产生了“师夷长技以制夷”的思想萌芽，他的经世致用思想，伴随着民族矛盾的上升，已注入了新的内容。
1840年6月28日，英国远征军在蓄谋已久之后封锁珠江海口，悍然发动了可耻的鸦片战争。由于林则徐在广东沿海的认真备战，有效地阻止了英国侵略军对这里的进攻，英军不得不避实就虚，掉头北犯。7月6日，攻占定海，8月9日陈兵大沽口外，向清政府提出赔偿军费、偿还烟款、割让岛屿等无理要求。虚骄的道光帝对外慑于英舰的威胁，对内轻信主和派的谗言，改变了抗英的态度，命令畏敌如虎的直隶总督琦善与懿律谈判，以重治林则徐、邓廷桢，赔偿烟价为条件，换取英军从大沽退兵南返。9月17日，任命传善为钦差大臣赴广东“查办”。林则徐奉命前往广东禁烟时大家的担心不幸被言中。
虽然处境险恶，前途堪忧，但林则徐仍置个人得失于不顾，继续坚持抗英斗争。他增调战船、火炮，选配兵丁壮勇，亲赴波涛汹涌的狮子洋校阅水师的战略演习，准备乘英国舰队主力尚未返回广东之际，主动出击。与此同时，他还向道光呈上《密陈办理禁烟不能歇手片》，用事实说明如果不能以武力制服贪得无厌、得寸进尺的英国侵略者，必将后患无穷；建议清廷制造坚实精致的船炮，坚决抵抗侵略者。但此时的道光已在投降派的谗言下将抵抗派视为眼中钉，竟把这些卓越见解斥责为“无理，可恶”，“一片胡言”。10月3日，又以“误国病民，办理不善”的莫须有的罪名将林则徐、邓廷桢革职。身在宦海，情系国家，皇上昏庸，爱国有罪，这是林则徐的悲剧，更是近代中国的悲剧，在当时特殊的时间、空间里，这似乎有它的必然性。林则徐被撤职的消息传开，广州人民无不哀惋痛惜，他们纷纷自发地来向林则徐辞行送别，给他送来靴子、伞、香炉、明镜等礼物，并在颂牌上书写着：“恩留粤海，泽遍南天”等字样，赞扬他厉行禁烟、抵御外侮的英雄业绩和爱国赤心。
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，拆除江府暗桩等防护设施，不做任何战守准备，只希望早日与侵略者握手言和。当时，以戴罪之身滞留广州的林则徐，在个人蒙受不公正待遇的情况下，仍然以国家和民族的利益为重，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，英国乘虚侵占沙角、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。并在给长子林汝舟的信中，满怀激愤地痛斥琦善裁兵撤防，一意主和，以致军心懈怠，导致作战失利的行径，爱国之情，溢于言表。由于琦善在与英国谈判时丧失原则，一让再让竟然答应割让香港，赔偿战款，道光帝将琦善撤职，再派亲信大臣奕山去广州指挥作战。林则徐曾对奕山抱有希望，积极向他提出作战建议，并“戴罪”请战，要求亲往前线，去收复定海。但奕山既无能，又狂妄，拒不理睬林则徐的建议，致使战机一误再误，战争陷入了无可挽回的败局，而林则徐则成了投降派的替罪羊，被撤职流放，踏上了远遣新疆的漫漫征程。
1841年7月14日，林则徐离开日夜操劳的抗敌前线开始启程，此时此刻，他的心情十分复杂，既有对投降派的怨愤，更有对战争结果的惋惜，而面对现实，他想得更多的则是如何做一个“荷戈西戍的老兵”，有生之年为多难的祖国再做些贡献。途经镇江，林则徐稍事停留，与前来送行的好友魏源进行了彻夜长谈，话题仍不离国计民生，江山社稷。分手前，他把在广州译编的《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、地理情况，魏源果真不负重托，几经努力，完成了《海国图志》的编撰工作，为中国人了解外部世界提供了极为可贵的资料。行至扬州，林则徐又把自己收藏的《炮书》钞本付刊，热切希望其对改进中国的铸炮技术有所裨益。路漫漫，情依依，林则徐行程千里，情洒一路，放不下的，是对祖国的责任，割不断的，是对民族的热爱。
此时，因开封祥符地段的黄河决口，滔滔洪水淹没了河南、安徽所辖的6府10多个县。清政府情急之中，改令林则徐转赴河南，协助钦差大臣王鼎办理河工。9月下旬，林则徐及时抵达祥符六堡工地。他一到现场，便不避艰险，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。因为此时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自己的感受和战略思想。在一封给门生的信中，他阐述了建立强大水军的必要性。他说，侵略者的船舰忽南忽北，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，他强调作战应“奇正分用”，而在鸦片战争中，那些前线统兵的将领，却往往只知“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。他还指出：在打了败仗，士气受挫之后，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做法，不仅劳民伤财，而且于战争毫无裨益，“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》，上海人民出版社）。