虎门在广东南部，珠江三角洲的东南侧，是个背山面海的美丽小城，自古以来就是重要的军事要隘。虎门之内，水面非常狭窄，小岛星罗棋布，珠江从这里滚滚南下，水流湍急。一出虎门，水面豁然开阔，珠江流速陡然减缓，慢慢地注入茫茫的大海。虎门，像一只猛虎，雄踞于祖国南大门，卡住珠江的咽喉，是外洋进入广州城的必经之地，战略地位十分重要。早在明朝万历年间，就开始在这里设防。清朝康熙、嘉庆时，在这里建立炮台，到此时，这里已有炮台7座。
关天培来到虎门上任后，先发告示简化迎接仪式：督署只打扫，不粉饰、不添用具，巡洋官不得离岗前来迎接。到任的第二天，他不顾旅途的疲劳，亲自驾船下海，考察虎门的海防情况。他一个岛一个岛地查，一个洲一个洲地看，每个炮台、每个大炮、每个战舰、每个兵营都认真地查访，召见各营的将士，询问情况，心中对广东的海防情况有了准确的了解。
他确切地感到“虎门为粤海的咽喉”，是“防夷船第一要隘”。要防止英国兵船闯过虎门的事件再次发生，必须要加强虎门海防。而现实情况不容乐观，他看到，虎门如此重要之地，防御力量十分薄弱，炮台年久失修，上面长满野草，一幅残破的景象，武器十分陈旧，几门破烂的大炮生满了斑驳的铁锈，炮台的布局也不合理，构不成有效的火力网，难怪英国军舰轻而易举地进入内港。装备设施差得令人吃惊，但更令人吃惊的是这里的人，无论是广东海关还是水师，大部分官僚都极其腐败，贪污、贿赂成风。他们利用权力包庇鸦片贩子贩毒，从中获得巨利，甚至勾结外国商人，直接参与贩毒。有的士兵也参与贩毒，军队内吸毒的大有人在，他们玩忽职守，军纪松散，不务正业，整个队伍的素质极差。有的士兵不会放炮，发炮技术很低，很长时间才能把炮弹装上，且很难命中目标，这样的军队怎么能抗击敌人呢！
关天培见此情景，心急如焚，急忙找两广总督卢坤商议，二人决定将此情况上奏道光皇帝，要求自筹款项，从1835年起，对虎门的海防设施彻底改造，对广东水师队伍进行彻底的整顿。
为了使海防设施能够更有效地打击敌人，关天培决定对现有设施进行重新布置。他亲自到虎门测量海口的宽窄，水位的深浅，亲自试验大炮的射程，来确定炮位的远近，为重新设防做好充分的准备。在调查研究的基础上，关天培制定了新的海防计划。
首先，他在虎门增修炮台。除了加固南山炮台（后改名威远炮台）外，还在横档山后和芦山湾麓新建永安、巩固两个新炮台，使虎门两岸炮台增加到10座。其次是添置一些重炮。关天培亲自督铸八千斤大炮20门，六千斤大炮22门，五千斤炮8门，三千斤炮15门。再次是重新调整炮位，重新分配火力。他将虎门的10座炮台分成三道防线，最前沿的第一道防线是最南端的沙角和大角炮台，作为前哨，起报警作用。在这里分别安置12门和17门大炮。
这里的主要任务是检查进入海口的船只，对不服从规定擅闯虎门的船只在开炮阻击的同时，以信号旗和炮声给第二道防线的主力炮台发出警报。这是因为沙角、大角这两个炮台相距太远（约八千米），难以对航道形成交叉火力，封锁海口，故明确其任务，将其改为信号炮台。此即第一重门户。当外国航船进入虎门时，沙角炮台给予验证，然后以炮声或旗帜通知对岸大角炮台。如果是一声炮响，那么来船是正常的商贸船，各炮台则放行；如果来者不善，那么沙角炮台就竖起一杆大旗，大角炮台见旗则开炮轰击来船，第二重防线的横档等炮台听到大角炮台阻击炮声，就做好堵截的准备，开炮阻击。
第二道防线是虎门两岸和江中岛屿的炮台群，将其排列成“品”字形，形成多角度的交叉火力网。东面是威远、镇远和横档三座炮台，各安炮40门，西面隔海相对的是永安、巩固两座炮台，分别安炮40门和20门。1839年，林则徐作为钦差大臣南下广州，非常重视海防建设。关天培在林则徐和两广总督邓廷桢的支持下，对虎门海口的第二道防线进行扩建。
虎门的第二道防线，距离第一道防线7里，是火力集中地区。江心有上、下横档两座小岛。横档岛与左岸之间，水面较窄，水深流急，是珠江的主要通道。关天培派人制造两条碗口粗的铁链，每一环都重达18斤。第一道铁链，安于南山与饭箩排巨石之间，长309丈，上系大木排26排；第二道铁链，安在南山与横档之间，长372丈，上系大木排44排。每1个大木排，由4个小木排联成，每1个小木排，由4根长4丈5尺的木头联成，穿有横木，并用铁箍箍紧。每道铁链两头是固定的，中间衔接处用大铁锁接扣，可以开合。平时无事时就将铁链分开，船只可以自由出入；一旦遇到敌情，就将铁链锁上，使敌船无法通过。在这里，专门设4只划船和120名水兵，管理铁链的开合。为了保护这两道排链，又在武山排链安放处建一座靖远炮台，配备大炮60门。在横档与右岸之间，江水较浅，退潮时有不少沙洲露出水面，关天培派人在沙洲上钉下梅花暗桩。这样，即使是涨潮时，敌船也无法从此通过。此时的虎门要塞已经固若金汤，彻底改变原来的面貌，足令敌人望而生畏。
第三重门户在大虎山岛上。从第二道防线上横档岛一线再向北进，在江中有大虎山岛，它和上下横档岛一样将江水一分为二，岛东是主航道。因此在岛的东侧临江边之处，早已建有大虎炮台，其作为最后的屏障，安炮32门。同时，在虎门海口的左侧有蕉门炮台，安炮20门；虎门海口的右侧有新涌炮台，安炮12门。此时关天培不但加固了炮台而且在大虎山岛北面设师船10艘，另配以泅水阵式兵、中水对械兵、爬桅兵、水兵百余名，准备与闯过虎门主阵地的敌舰交战。
关天培在整顿和建设海防设施的同时，也对广东水师队伍进行了整顿。他淘汰水师中老弱病残的士兵，从每百名士兵中挑选出40名身体好的士兵，进行严格训练，称他们是备战兵，将他们训练成技术纯熟、样样精通的强兵，从中选出350名驻守虎门要塞第二道防线的8座炮台。让士兵们懂得射炮之道，如何放炮，怎样使用交叉火力等，让要塞的设施充分发挥作用。他制定了非常严格的军事训练制度，来改变以往水师军纪松弛、士兵技术低劣的状况。他明确规定各级军官的责任，撤换了一些不负责任、昏庸无能、营私舞弊的军官。他规定专官练专兵，每个军官固定负责几名士兵，士兵的一切都应由这个军官全权负责。另一方面，专兵操练负责专炮。几个士兵一门炮，他们要熟悉这门炮，还要负责炮的保养。这种层层负责的制度使官兵各尽其职，有利于官兵对武器的熟悉和使用。
为了让炮手能够熟练地掌握装填炮弹的技术，他让士兵用破旧的大炮和生锈的炮弹反复练习。他规定，炮手每月要进行两次实弹射击。每次实弹射击，关天培都亲自参加指挥。一天，炮兵们又开始实弹射击演习了，炮手们在大炮旁做着准备，关天培也站在最大的一门炮旁，指挥着炮兵射击。突然，“轰”的一声，一门大炮的炮管破裂，炮手受了伤。其他炮兵见此，都有些畏惧和慌乱。只见关天培镇定自若，下令士兵将身边这门最大的炮装上火药，他亲自放响了这一炮。一声巨响，炮手们见提督大人巍然不动地站在硝烟之中，深受鼓舞，他们的畏惧心理顿时消失，群情激奋地投入训练。
关天培还规定，每年春秋两季都要进行一次水陆军联合军事演习，来提高士兵的综合战斗能力。每次演习首先是演习战船攻守操练，其次演习水兵泅水阵式，然后各炮台进行各种火器演习，就连专管排链的士兵也要表演排链的启闭之法。
由于关天培的努力整顿，严格操练，广东水师的作战技术迅速提高，军纪也严整起来，已成为一支纪律严明、能攻善战的海上防卫队了。在此过程中，也体现出了关天培在海防上的非凡造诣。
