象升在之前的軍事行動中表現出色，崇禎帝決定讓他取代梁廷棟，負責鎮守宣府、大同一帶。九月二十二日，盧象升被任命為宣大總督，兼任兵部左侍郎、都察院右僉都御史，並第二次被賜予尚方寶劍。盧象升於十月初一日在居庸關正式就任，之後駐紮在陽和（今山西陽高）。

盧象升到北方後，河南、湖廣一帶的農民軍趁機迅速發展，但這並未影響他在宣大地區的軍事部署。上任後，盧象升大力推行屯田政策，甚至親自參與耕種以鼓勵農民。在他的領導下，軍屯面積達到了三十萬畝，儲存了二十多萬石穀米，並額外儲備了四萬多石穀物。這些成就得到了崇禎帝的高度讚賞，他指示其他邊疆重鎮效仿宣府和大同的做法。

盧象升還改變了以往封疆大吏出行時清道的傳統做法，選擇微服巡邊，直接從基層士兵那裡獲取關於邊防的真實資訊，以便做出更精準的決策。此外，他還開放了殺胡口等處的馬市，從卜（土默特）、哈（喀爾喀）等蒙古部落購買戰馬，並試圖利用這些部落的力量來牽制清朝，以增強邊防實力。

崇禎十年（1637年）春天，盧象升聽說宣府地區出現戰警，當即在夜間騎馬趕往天城。此時，各地的戰報不斷傳來，報告稱蒙古首領乞炭率領的騎兵橫排四十里大舉而來。盧象升判斷這是大規模的入侵，並推測敵軍可能是想向東侵犯雲陽、晉陽，誘使宣府的明軍集中於此，然後趁虛而入。據此，他命令雲陽、晉陽的部隊按兵不動，自己則帶領部隊駐紮在右衛，告誡邊防官員不要輕易開戰。

與敵人相持了一個月後，盧象升認為敵軍已經懈怠，可以發起反擊。他透過偵察發現敵軍距離防護牆只有六十里，於是秘密調集雲陽部隊西進，宣府軍隊東進，自己則親自率領部隊坐鎮子午，從羊房堡出發，約定了決戰的時間。乞炭得知盧象升的部署後，立即撤退。盧象升在陽和駐軍，使乞炭不敢再來騷擾邊界。

五、主戰抗清

崇禎十一年（1638年）二月，皇太極親征騷擾歸化城的喀爾喀蒙古札薩克圖汗素巴第，並在途中嚮明朝邊臣致書要求“講和開市”。盧象升對此堅決反對，強調“他夷可撫，東虜斷斷不宜輕撫”，並對皇太極嚴陣以待。同年四月十八日，盧象升的父親盧國霦在陽和探望盧象升後返鄉途中去世。五月，盧象升得知父喪的訊息，悲痛欲絕，連續上書七次，請求丁憂守制。崇禎帝批准了他的請求，並任命原來的宣府巡撫陳新甲為新的宣大總督，令盧象升穿著喪服等待交接。七月，崇禎帝晉升盧象升為兵部尚書，繼續負責防秋重任。

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八月二十三日，皇太極任命睿親王多爾袞為奉命大將軍，統左翼軍，貝勒嶽託為揚武大將軍，統右翼軍，以及貝勒杜度等人為副將，分兩路徵明。九月二十二日，嶽託從密雲北邊牆子嶺毀長城而入，多爾袞則於九月二十八日於青山關毀長城而入，兩軍在京郊通州會師，引發“戊寅之變”。

當時，盧象升剛剛與陳新甲完成交接，但朝臣們都推薦他來抵禦清兵。於是崇禎帝命令盧象升率領宣、大、山西三總兵楊國柱、王樸、虎大威入衛京師，並督天下援兵，第三次被賜予尚方劍。盧象升聽到訊息後，伏地痛哭，請求解任，但崇禎帝沒有答應。十月初四日黎明，崇禎帝在建極殿後的平臺召見盧象升。盧象升針對兵部尚書楊嗣昌的主撫（即主和）之議，對崇禎帝說：“皇上命臣督師，臣意主戰！”崇禎帝面色一變，隨後表示朝廷並未言撫，這是外界的議論，並提醒盧象升在對清作戰時不要像圍剿農民軍那樣身先士卒。隨後，崇禎帝又命盧象升與楊嗣昌和關寧總監高起潛等人在安定門開會，盧象升大談主戰，滿座沉默，只有司禮太監曹化淳說：“畢竟盧老先生是正論！”十月初五日，崇禎帝拿出內帑金犒師，盧象升出城到昌平領兵，楊嗣昌前去送他，並私下