人们更多的知道杜牧是一位才气横溢的诗人，在晚唐文学中与李商隐齐名，世称“小李杜”。他在池州刺史任上一首《清明》诗，流传不绝，众口传诵，成为绝唱。《山行》诗“停车坐爱枫林晚，霜叶红于二月花”更是脍炙人口。23岁时作的《阿房宫赋》为文赋的兴起奠定了基础。
　　但杜牧论兵，也表现出他非凡能力。其实早在入仕前，他就利用家中藏书，特别是其祖父杜佑撰写的《通典》，潜心钻研经史，注重军事研究。一生作有《罪言》、《原十六卫》、《战论》、《守论》等军事论文，曾注过《孙子》十三篇。用他自己的话说，自己关心的是“治乱兴亡之迹，财赋兵甲之事，地形之险易远近，古人之长短得失”（杜牧《上李中丞书》）。
　　穆宗长庆二年（822），杜牧20岁。时魏博（今河北大名县）武将史宪诚逼杀节度使田布，自称留后（唐代节度使、观察使缺位时设置的代理职称），因不能讨伐，只好以史宪诚为魏博节度使。由是，形成军阀割据。未登仕途的杜牧便“深知国之兴亡系于兵者甚大，贤卿大夫均宜知兵”（缪钺《杜牧年谱》）。
　　文宗大和元年（827），杜牧25岁。时藩镇割据愈演愈烈，杜牧作《燕将录》，借他人之口，大声疾呼：“愿借骑五千，以除君忧。”“壮夫哉！兵决出，格沮者斩。”表达出其治内乱需用兵的观点。
　　文宗大和八年（834），杜牧32岁。在扬州淮南幕府作掌书记时，愤河北三镇之桀骜而朝廷一味姑息，作《罪言》，陈述削平河北三镇之上、中、下策略。杜牧的《罪言》是针对中唐敬宗、宣宗之时河湟战乱、边将独大的局面而写，颇有战国策士之风。上策从整顿法令、运用贤才、加强战备入手；中策取魏争取地利；下策为“不计地势不审攻守”的浪战。文章“剖辨形势，揣悉事机，如画沙聚米，宛在目中”（高步瀛选注《唐宋文举要》）。北宋的司马光对《罪言》极为称许，将其纳入《资治通鉴》。
　　是年，作《原十六卫》。《原十六卫》则旨在复初唐旧制，即由太宗文皇帝传留下来的十六卫制，其核心实质是裁抑藩镇兵员，节制军权，便于势归中央，消除割据。杜牧认为玄宗后罢府兵，扩边兵的政策，导致边患未平而强藩力量日盛，且已牢笼盘踞，累朝不得制，而正本清源的办法应该改弦更张，重新设府立卫，恢复府兵制，使军事力量统一由中央调配，这样既不使国防空虚，藩镇力量也能够解除而无法拥兵篡逆。“伏惟文皇帝十六卫之旨，谁复而原，其实天下之大命也，故作《原十六卫》”。忠言铮铮，日月可鉴。
　　同一时期，杜牧还研究整顿战备问题，他在《战论》中归纳了五种“战必挫北”的原因。他认为其时战争频繁，开支巨大，致使“用度不周，征徭不常，无以膏齐民，无以接四夷”，天下大势如“四支尽解，头腹兀然而已”，要想拯救此局面，必须从整顿军事入手，练兵、补员，不过赏轻罚，不争功诿过。如此，不仅河北强藩不日可定，即使边戎也无能为患。
　　在国家防守问题上，杜牧的《守论》指出苟且自守之弊，指出大历、贞元对藩镇的姑息政策非守邦之术，而是危国之道，文章检讨前朝之失，切中症结。
　　尤其值得一提的是，在扬州的不到三年时间，杜牧还在工作之余注《孙子兵法》。他在曹操注《孙子》的基础上，联系历代用兵的形势虚实，重新注释《孙子兵法》十三篇，成为继曹操之后第二个为《孙子》全面作注的人。他在其《注孙子序》中这样说：“……树立其国，灭亡其国，未始不由兵也。主兵者，圣贤材能多闻博识之士，则必树立其国；壮健击刺之徒必败亡其国。”《杜牧注孙子》在历代十一家注中，不但数量多，质量亦比较高，故有称其为曹操之后第二大注家者。
　　清代的姚莹在其《论诗绝句六十首》中，有一首专门论及杜牧扬州时的诗作：
　　十里扬州落魄时，春风豆蔻写相思。
　　谁从绛蜡银筝底，别识谈兵杜牧之。
　　这大概是杜牧驾鹤西去千年之后第一首明确提出杜牧知兵的诗。
　　武宗会昌三年（843），杜牧41岁。朝廷讨伐泽潞藩镇刘稹，杜牧给主持这次讨伐的宰相李德裕写了《上李司徒相公用兵书》，详尽陈述了作战方略，李德裕采纳了他的意见，结果“泽潞平，略如牧策”（《新唐书·杜牧传》）。
　　武宗会昌四年（844），杜牧42，9月迁池州刺史。上宰相李德裕书，论防御回鹘事，李德裕称善。
　　关于唐朝与回鹘的最后一战，《旧唐书·李德裕传》这样说：皇上令宰相李德裕草诏，指挥大将刘沔、石雄急击乌介可汗于杀胡山，大败之，迎太和公主还宫。回鹘亡国。唐朝与回鹘的恩恩怨怨，至此了断。
　　《新唐书·杜牧传》说杜牧“敢论列大事，指陈利病尤切至”，这是对他实际的政治军事才能充分肯定。