道光十年（1830年）秋任湖北布政使，翌年春調(diào)任河南布政使，擢東河河道總督。從六月到次年七月，林則徐先后任湖北、河南、江寧布政使。面對關(guān)系到河道民生重大問題，決心“破除情面”，“力振因循”，以求“弊除帑節(jié)，工固瀾安。”為了治理黃河，親自頂著寒風(fēng)，步行幾百里，對備用的幾千個治水商梁秸進行檢查，還將沿河地勢，水流情況。繪畫張掛，便于了解和治理。
道光十二年（1832年）一月，調(diào)任江蘇巡撫。從這一年起到十六年間，他對農(nóng)業(yè)、漕務(wù)、水利、救災(zāi)、吏治各方面都做出過成績，尤重提倡新的農(nóng)耕技術(shù)，推廣新農(nóng)具。他在實踐活動中認(rèn)識到：“地力必資人力，土功皆屬農(nóng)功。水道多一分之疏通，即田疇多一分之利賴。”林則徐這種農(nóng)耕思想，是在實際考察中體驗出來的。
道光十七年（1837年）正月，升湖廣總督。面對湖北境內(nèi)每到夏季大河常泛濫成災(zāi)，林則徐采取有力措施，提出“修防兼重”，使“江漢數(shù)千里長堤，安瀾普慶，并支河里堤，亦無一處漫口，”對保障江漢沿岸州縣的生命財產(chǎn)，做出了不可磨滅的貢獻。
道光十八年（1838年），鴻臚寺卿黃爵滋上疏主張以死罪嚴(yán)懲吸食者，道光帝令各地督撫各抒己見。林則徐堅決支持黃爵滋的嚴(yán)禁主張，提出六條具體禁煙方案，并率先在湖廣實施，成績卓著。八月，他上奏指出，歷年禁煙失敗在于不能嚴(yán)禁。警告：“若猶泄泄視之，是使數(shù)十年后中原幾無可以御敵之兵，且無可以充餉之銀。”九月應(yīng)召進京，在連續(xù)八次召見中，力陳禁煙的重要性和禁煙方略。十一月受命為欽差大臣，前往廣東禁煙，并節(jié)制廣東水師，查辦�？�。
道光十九年（1839年）正月抵廣州。他會同兩廣總督鄧廷楨等傳訊洋商，令外國煙販限期交出鴉片。采取撤買辦工役、封索商館等正義措施，挫敗英國駐華商務(wù)監(jiān)督義律和煙販的狡賴，收繳英國躉船上的全部鴉片。四月二十二（6月3日）起在虎門海灘銷煙，20天中銷毀鴉片19179箱、2119袋，共計2376254斤。在此期間，林則徐注意了解外國情況，組織翻譯西文書報，供制定對策、辦理交涉參考。所譯資料，先后輯有《四洲志》、《華事夷言》、《滑達爾各國律例》等，成為中國近代最早介紹外國的文獻。為防范外國侵略，林則徐大力整頓海防，積極備戰(zhàn)，購置外國大-炮加強炮臺，搜集外國船炮圖樣準(zhǔn)備仿制。他堅信民心可用，組織地方團練，從沿海漁民、村戶中招募水勇，操練教習(xí)。七月因義律拒不交出殺害中國村民的英國水手，又不肯具結(jié)保證不再夾帶鴉片，他下令斷絕澳門英商接濟。義律訴諸武力，挑起九龍炮戰(zhàn)和穿鼻洋海戰(zhàn)。林則徐親赴虎門布防，督師數(shù)敗英軍。十一月遵旨停止中英貿(mào)易。十九年十二月實授兩廣總督。此時他已覺察英國正蓄意發(fā)動侵華戰(zhàn)爭，以所得西方消息五次奏請令沿海各省備戰(zhàn)。
道光二十年（1840年）六月，鴉片戰(zhàn)爭開始后，英軍攻粵閩未逞，改攻浙江，陷定海，再北侵大沽。道光帝驚恐求和，歸咎林則徐在廣東“辦理不善”，屢次下旨斥責(zé)。九月林則徐被革職，留粵備查問。但仍奔走察看要隘，籌募壯勇守衛(wèi)廣州，反對欽差大臣琦善畏敵求和。繼而向主持粵戰(zhàn)的奕山上防御建議，不被采納。
道光二十一年（1841年）三月受命赴浙江協(xié)辦海防。在浙積極籌議戰(zhàn)守，提供炮書，幫助研制新式炮車和車輪戰(zhàn)船。五月道光帝以廣東戰(zhàn)敗，歸咎前任，林則徐被革去四品卿銜，從重懲處，充軍伊犁。途經(jīng)鎮(zhèn)江，授老友魏源以《四洲志》及有關(guān)外國資料，囑撰《海國圖志》。旋因黃河在河南開封祥符決口，釀成水患，奉旨往河南黃河工地治河，工竣仍戍伊犁。
1841年5月，林則徐獲罪免職后不久，廣東民眾就質(zhì)問英軍：“爾自謂船炮無敵，何不于林制府任內(nèi)攻犯廣東？”可見，當(dāng)時不少民眾認(rèn)為：如果朝廷不撤換林則徐，英國人是斷不能取勝的。
這種思想在當(dāng)時是很有些“民-意基礎(chǔ)”的。1841年1月，閩浙總督顏伯燾和新任浙江巡撫劉韻珂主張重新起用獲罪革職的林則徐，其理由之一正是“該夷所畏忌。”鴉片戰(zhàn)爭之后的三部史著《道光洋艦征撫記》、《夷氛聞記》、《中西紀(jì)事》，皆把后來廣東戰(zhàn)事的失敗，歸結(jié)于林則徐的去職；將各地戰(zhàn)事的受挫，歸結(jié)于當(dāng)?shù)貨]有林則徐。
盡管眾口一詞，但將英軍沒有直接進攻廣東的原因解讀為英國-軍人害怕與林則徐交戰(zhàn)，是違背基本史實的。英軍之所以沒有進攻廣東，并不是害怕林則徐，而是他們的既定計劃就是舍棄廣東，撇開林則徐，北上清朝政治勢力的中心地區(qū)，尋找比林則徐官職更高的官員解決爭端。一旦談判不成，將在長江下游和北方地區(qū)繼續(xù)開戰(zhàn)。