后来林则徐回到中原，《南京条约》已经签订，英人占据香港，五口通商，正是气焰嚣张的时候。大家纷纷问林则徐对时局的看法，林则徐的回答却出乎大家的意料，对于英国，林则徐已经不怎么关心了，反而俄国是他心中最大的不安，而当时俄人已有数十年没侵犯中国了。林则徐看事情眼光长远，他认为英人之患是一时的，而俄人之患将遗于后世。
新疆地广人稀，粮产量不足，如果爆发战争的话，要从千里之外运输粮食，很不方便也很不安全。所以林则徐就抓紧垦荒，厚植国力。他当初那个没有实现的《畿辅水利议》的计划，也刚好可以在这里派上用场。已经60岁的林则徐兴致勃勃地埋头苦干，对于他来说，不管在什么地方，都可以实现人生的价值。
当伊犁将军布彦泰把林则徐协同垦荒的事上奏给皇上的时候，道光决定把开垦推广到其他的地方，除了伊犁和乌鲁木齐之外，还要扩展到吐鲁番及其南疆。林则徐不顾年迈的身体，奔波于万里黄沙之间，亲自勘察了库车、阿克苏、喀什噶尔、叶尔羌、乌什、和阗、伊拉里克、塔勒纳沁等城，足迹遍布天山山脉中的吐鲁番和哈密。
伊犁附近的阿齐乌荒地曾经被开垦过，最后却由于无法引入水源而功亏一篑。但是水利工程是林则徐的强项，他凭借着丰富的经验，亲自督建最重要的工程，自己也承担了一部分的花费。布彦泰终于见识到了林则徐老练的办事能力，认为生平所见过的人，无人能出其右。
道光二十五年（1845年）正月，林则徐要到乌鲁木齐和吐鲁番考察。途中看到许多水坑，林则徐好奇地向当地人打听起来，才知道这些水坑叫“坎儿井”。林则徐仔细研究了一阵，发现了让他振奋的事情。原来这些坎儿井能引水横流，由南向北，渐引渐高，水能从土中穿穴而行，这个发现能够解决很多地方的灌溉问题。
“坎儿井”实际上就是竖井和暗渠的合称，最主要的部分是地下的“暗渠”。暗渠非常宽大，可容得下两人并行，每年春天都要对其进行泥沙清理。暗渠上再凿“竖井”通于地面。暗渠有长有短，最长14公里，上有7个井，最短的3公里，上有2个井。凿井首先要探查出哪里有丰富的泉源，然后凿地为泉，为了避免水渗漏，必须要铺上羊毡，井与井之间一般相隔五六丈，最后打通暗渠，使它们相连。井通常都被凿在四面有高山的沙漠绿洲，以便用高山融水形成的地下伏流作为灌溉用水。
其实坎儿井由下而上出水是人们的一种错觉，而实际上完全相反。因为地下暗渠的坡度小于地面坡度，让人误以为是水往上流。平时竖井的井口是封闭的，形状像是馒头。井旁都堆满了沙砾，只有要清理淤泥的时候才打开。
开凿暗渠的花费很大，而且技术要求也很高，之所以要用“暗渠”而不用明渠，主要有以下几点原因：一是沙漠干燥，水源珍贵，用暗渠可以减少蒸发；二是在这一地区，地下水远远比地上水的资源丰富，开暗渠更能引来水源。三是用明渠土质易塌坏，而地底的暗渠由于拱力的关系则没有这项缺点。
坎儿井的发明无疑是经过了长时间的探索才成功的，它的应用给新疆带来了很多好处。吐鲁番是个高山环绕的盆地地区，气候燥热，干旱少雨，是坎儿井带来的水维持了当地的生活和生产，让吐鲁番成为了一个物产丰富、盛产瓜果的地方。
此次勘察，湖南人黄冕一直跟随在林则徐的左右，当年林则徐在江南兴办水利工程的时候他就从旁协助，在镇海制炮的时候也有此人的参与。这一次，黄冕又协助林则徐对坎儿井进行改良，进而推广到其他地区。新疆地区的人民对林则徐感恩戴德，为了纪念林则徐的恩德，他们将这些灌溉系统称之为“林公井”，和后来甘新公路两旁纪念左宗棠的“左公柳”同样有名。
天山的积雪成为了这些坎儿井的丰富的水源，吐鲁番四季都十分炎热，冰雪消融得很快，坎儿井很少有断水的时候。还有一井分两道掘开，形成了一个“人”字，这样涌上来的水就更多了。
在林则徐的精心改良下，坎儿井受到了大家的欢迎。没过多久，附近托克逊境内也成功开出了坎儿井，为开垦田地解决了最根本的问题，是一项造福一方的工程。后来有一些商人出资凿井，专做供水的生意，田亩的租值也靠有几口井而定。甚至渐渐产生了一个极具特色的风俗，询问他人的财产，常常是问这一家人有几口井，坎儿井日渐成为与人们生活息息相关的生活设施了。
托克逊往西的伊拉克里被当地人称之为“板土戈壁”，那里土壤肥沃，地形平坦，西面紧邻沙石戈壁，戈壁上时常有山泉涌出，甚至汇成一条大河，可惜水势散漫，很难加以利用，最后这些泉水白白流入沙漠之中。由于无法得到灌溉用水，这里一直都是板土戈壁，荒凉而人烟稀少。
林则徐看了那里的情形后觉得很可惜，下定决心一定要把这些水充分利用上。经过一番研究，林则徐的心中终于有了规划方案。他命人将沙石戈壁的水想办法纳入渠中，然后筑起一座水坝，这样就可以实现对水量和水势的调节。另外，他还命人修建了可通往板土戈壁的支渠。完工之后，林则徐又进行了一番检查，然后启动水坝放水，水顺势而行，周边的百姓看了都兴奋不已。
经过了多番努力，水利设施已差不多完成，接下来就该安插垦民，发放领地了。林则徐以“人、寿、年、丰”四字为编号，各选一位诚实公正的农民管理编号内钱、粮、水利之事。安排妥当了这里的事，林则徐顾不上休息，赶到南疆阿克苏等八城，深入到了距嘉裕关万里之遥的大西北。这里曾经有过很高程度的文明，几处绿洲都历史悠久，十分有名。林则徐不停歇地工作，忙起来的时候甚至连家信都没有时间写，就这样一路风尘仆仆，最终完成了那里的勘测工作。
由于工作内容繁琐，任务量大，朝廷派全庆辅助林则徐办理开垦和安民的工作，一旦遇到土地肥沃之处，就大量开垦屯田，安插民户，然后开渠引水。虽然有很多人从旁协助，但这些工作都是只有林则徐最能胜任，他不但是水利工程方面的专家，而且阅历丰富，办事精细老练，像丈量土地、分配农田、迁移民户等各项工作，他都做得毫无纰漏，让所有的人心服口服，这些工作也因此而能在短时间内发挥效用。
在新疆的日子，林则徐既安定了民生，也巩固了国防。他的足迹遍布天山南北、东西十八城，寻找水源、开辟沟渠、划拨田亩，督促民众进行耕作，实行寓兵于农的政策，粮食的产量也大大增加，彻底改善了少数民族同胞的生活状况。他以戴罪之身，完成了如此艰巨的任务，不但为国家节省了大量运输方面的人力、物力，还使得新疆地区每年上缴大量的田赋。这是新疆百年来从未有过的盛况，他的功绩将永远造福这里的人民。
众所周知，林则徐一生最伟大的功绩是禁烟，中英战争起，林则徐遭奸人陷害，被革职戍边，一时间，林则徐就像个悲剧英雄那样成为全国目光的焦点，很多人都觉得他没有东山再起的希望了，殊不知这正是他另一段功业的起点。林则徐从来都没有放弃报国的理想，在西行的旅途中，他荣辱不惊，一路吟诗，心情舒畅，同时又奋发向上。虽然沿途关山险阻，朔漠无垠，一路颠簸，但他仍能坦然地欣赏关外山川景色的雄浑与壮丽，在偏远的回疆脚踏实地，埋头建设，开创出一片新的局面，这种积极而大无畏的精神，值得我们后人效法。
林则徐的积极向上让他再次赢得了命运的垂青。道光二十五年九月，道光收到了垦荒工作圆满完成的报告，随即封林则徐为四五品京堂候补，召他回京。布彦泰被嘉奖晋升为陕西总督，至于协同林则徐的全庆，也被升为“擢内阁学士典礼部侍郎衔”。以年迈之躯奔波劳碌的林则徐终于打动了道光皇帝，再度被朝廷重用。
林则徐并没有想过要重回朝堂，加官封爵，身居要职多年的他早已看淡了宦海沉浮，他只想在余下的生命里为国家和百姓再做些实事，没想到这一番柳暗花明，又出现了转机，心中真是感慨万千。但林则徐还是很平静地接了旨，坚持完成了他要做的工作，然后才踏上东归的路。这时候的他，已经对西北壮阔的山川生出了几许情愫，竟然有些难以割舍了，“格登山色伊江水，回首依依勒马看”。
十一月的嘉裕关，风寒刺骨，远处的冰雪依旧清冷，林则徐终于和西北的风沙告别了，他将一生珍重这一段人生经历。