镇防守外，还不断完善该地区的防御体系。为解决镇守官员之间事权不一、相互掣肘和邻镇间遇敌互相推诿、互不策应的弊端，专设了宣大总督以加强协调，促成了宣大防务区的建立，成为明代中后期北部防御体系的重要组成部分。
随着明朝北边防线的一再南移，宣大地区之战略重要性日益提高，防务压力增大。
“京师尤人之腹心也，宣、大项背也，延、宁肢体也，甘肃踵足也。”
“若以地之轻重论，诸边皆重，而蓟州、宣、大、山西尤重。何则拱卫陵寝，底定神京，宣、大若肩背，蓟、晋若肘腋也。”
特别是英宗时河套弃守后，蒙古诸部“出河套则寇宣府、大同、三关以震畿辅入河套则寇延绥、宁夏、甘肃、固原以扰关中”，对大明之北边防线造成很大威胁。
此外，宣大地区多是“分土而治，不相统辖，缓急调遣应援事多掣肘”，兵力分散，而蒙古则不然，常常是集中各部乘虚专攻一镇。在这种情况下，一镇之兵根本无法抵御，需要邻镇互相救援。但是各镇巡抚总兵无权调集他镇之兵马，邻镇有难，往往坐视不救，“一遇有警，因地方兵马单弱而各分彼此，不肯应援，纵肯应援，亦多观望，往往坐失机宜”，造成但求自保而难以自保之局面。
“假令并犯宣府，则大同应援为急，如并犯大同，则宣府应援为急，若先事一有所拘，而临事则有所诿，兵革之际，易相推托，将不免于误事。”
有鉴于此，为统一宣、大二镇兵权，加强二镇间的统一领导和协调行动，需设重臣统驭，故明廷于景泰年间设宣大总督以统二镇。宣大总督设置后，置罢不常，至嘉靖二十一年始定设不变。
宣大总督设立后，除统领镇兵协调二镇行动外，还于嘉靖二十一年获得了兼理粮饷之权。
“壬午，升整饬北直隶山西河南军饷右佥都御史翟鹏为兵部右侍郎，兼都察院左佥都御史，总督宣、大军务，兼理粮饷。”
后来防御形势日趋严峻，遂增重宣大总督之权，除事关机密者不得自专外，其余兵马、钱粮许便宜从事，先发后闻。《世宗实录》载:“户科给事中刘绘奏:‘顷者，北虏南侵，陛下特敕兵部侍郎翟鹏总督军务，臣惟虏遁而总督罢，虏至而总督增设，事出仓卒，机不素定，此非所以专责成，而图茂功也??臣请陛下自今专任翟鹏，凡军马、钱粮悉得便宜从事。’??上是之，即诏翟鹏除事关机密者不得自专，其兵马、钱粮许便宜从事，先发后闻。”
实际上，从嘉靖二十一年开始，宣大总督便常设不废，管辖范围及职权扩大，“翟鹏令兼督山东、河南，巡抚以下，俱听节制，事宁之日如故。”
嘉靖二十三年，又令该总督督令一切兵饷。嘉靖二十四年，宣大总督权力进一步增大，巡抚、总兵官事干兵马者，须关白总督，“宜令巡抚等官凡事干兵马者，俱关白总督，遇有便宜，听其先发后闻，不得互生嫌忌。”
到了嘉靖二十九年，宣大总督定辖宣府、大同、山西三地，自后再不曾变更。
事实证明，宣大总督之设于宣大防务颇有成效。嘉靖二十八年，蒙古入略宣府，时宣府“将庸兵弱，虏素轻其易与”，总督翁万达当即行使职权，调大同总兵官周尚文至宣府御敌，“以大同帅周尚文率领精锐暂代宣府帅以遏虏冲，又移书诸辅臣、本兵，极言虏必深入回测之状，谓宣府主将偏禆无可付托??以大同兵付其副帅，而促周尚文以行。于是，尚文昼夜兼行，至曹家庄，而虏已入据险要，不虞尚文之猝至也，大战三月夜，屡围屡解。公翁万达躬环甲冑督兵数千人来援??虏大惊曰:翁大帅兵至矣。夜解围而遁，公于是督尚文追击出境，保障之功多于斩馘矣”。
宣大总督在设立之后，逐渐获得了兵马调度权，钱粮兼理权，监察、保荐权，后来又获得了开府自