为加强京畿的防卫，明廷推行了总兵官镇守制度。本来总兵为差遣名称，是非常设职务，后因常年镇戍地方，渐成常驻之官。总兵成为凌驾于都指挥使之上的省级最高军事长官。
宣府设镇守总兵官之后，明廷为了加强宣府镇长城的防务，于嘉靖九年（年）将东至居庸西北永宁卫南口起，西至西阳和南山台、大同天成卫界止，共里的长城辖区，分为中路、西路、南路、东路、北路五路，分别由参将戍守。嘉靖四十五年（年），西路分为上西路、下西路，并设南山路。万历十八年（年），北路又分为上北路、下北路。这样，宣府镇的辖区就由五路变为八路。守一路的军官称为参将，守一城一堡的军官称为守备、参守、防守。
明朝中后期，宣府镇演变为镇、路、堡、关的设防机构后，将原来的卫、所分为北、中、西、南、东五路镇守。当时北路分戍14个城堡，路城在独石口；中路分戍城堡8个，路城在葛峪堡；西路分戍城堡13个，路城在万全城；南路分戍城堡7个，路城在顺圣城；东路分戍城堡7个，路城在永宁城。
分设八路后，东路路城在永宁城；下北路路城在龙门所；上北路路城在独石口；中路路城在龙门卫（今龙关）；上西路路城在万全右卫城；下西路路城在柴沟堡；南山路路城在柳沟城；南路路城在顺圣西城。
宣府镇最早的总兵官是永乐年间的郑亨。郑亨，合肥人，洪武年间封为武安侯。永乐六年（年）充总兵官，镇守宣府镇。当时，北元势力经常出入塞下，郑亨到任后，经过实地考察，在宣府镇的万全、怀来一带，根据地势和军事的需要，在每数堡之中选择一堡，加修城墙，加深护城河，并在城内打井储水，以备战争之需。同时，还加强了军事侦察与瞭望，发现有敌人来侵扰，夜间举火为号，白天鸣炮报警，大大加强了宣府镇的防御能力。永乐八年（年），成祖朱棣第一次北征鞑靼，郑亨率宣府镇1万将士，抢修龙门道路，使北征大军顺利通过。郑亨还亲自参加了成祖这次与第二次北征，为取得战争胜利发挥了作用。
明朝宣府镇总兵中有许多名将，其中嘉靖年间的总兵马芳就是一位突出的代表。马芳（年—年），蔚州人，嘉靖四年（年），被鞑靼掳走，年仅8岁，被迫为人放牧。在辽阔的草原上，马芳曲木为弓，练习骑射，练就了一身好功夫。一日，俺答到草原狩猎，遇到一只猛虎向他扑来，马芳见状，弓响矢发，正中猛虎要害，救了俺答一命，引起了俺答的注意，遂命马芳跟随左右伺候。但马芳身在鞑靼，心在明朝，嘉靖十六年（年），趁人不备，只身逃回大同。在大同总戎周尚幕下当兵。从此开始了他与鞑靼侵扰进行卓有成效战斗的生涯。他与鞑靼战斗数十年，取得20多次胜利，被后代诗人誉为“威名万里马将军，白发丹心天下闻”。