寶元元年（1038年），原稱臣于宋的西北黨項首領(lǐng)李元昊稱帝，建國號大夏（史稱西夏），與宋朝的外交關(guān)系正式破裂。
次年（1039年），為逼迫宋朝承認西夏的地位，李元昊率兵進犯宋境，于三川口大敗宋兵（三川口之戰(zhàn)），集兵于延州城下，準備攻城。消息傳至京師，朝野震驚。
康定元年（1040年）三月，因邊事吃緊，宋仁宗以范仲淹眾望所歸，召回京師，擔任天章閣待制、出知永興軍。七月，升為龍圖閣直學士，與韓琦并為陜西經(jīng)略安撫副使，擔任安撫使夏竦的副手。八月，范仲淹兼任延州（今陜西延安）知州。
夫人甄金蓮陪同范仲淹到任。范仲淹更改軍隊舊制，分部訓練，輪流御敵。此前，邊路分馬步軍部署統(tǒng)兵萬余人，兵馬鈐轄領(lǐng)兵五千，兵馬都監(jiān)帶兵三千，御敵時“官卑者先出戰(zhàn)”。范仲淹在檢閱州兵馬后得一萬八千人，分為六部，每部置一將，加強訓練，根據(jù)“敵之寡眾分別出戰(zhàn)”。
沒多久，范仲淹就派兵相繼奪回塞門諸寨，修復(fù)已破蕩的金明寨、萬安城等。九月，范仲淹遣將軍任福破白豹城（今甘肅華池東北約25公里處），迫使入侵保安軍（今陜西志丹）、鎮(zhèn)戎軍（治今寧夏固原）的西夏軍撤兵。
他又派狄青等攻取西界蘆子平，種世衡興筑青澗城，營田實邊。十月，遣朱觀等襲破西夏洪州界郭壁等十余寨。同時修筑青澗城和鄜城，作為軍事基地，節(jié)省邊費。仁宗為這支軍隊賜名康定軍。
十二月，朝廷采納韓琦、尹洙之策，下詔在次年（1041年）正月上旬，由涇原、鄜延兩路同時出兵，大舉伐夏，但范仲淹與在朝中的杜衍、歐陽修等皆以為條件不成熟，主張積極防御，尋覓戰(zhàn)機，小規(guī)模出擊。范仲淹在戍邊西北期間，逐漸培養(yǎng)出狄青、種世衡、郭逵等有才干的將領(lǐng)，其他如張亢、王信、范恪、周美等，也是范仲淹所拔擢的。
“塞下秋來風景異，衡陽雁去無留意。四面邊聲連角起。千嶂里，長煙落日孤城閉。
濁酒一杯家萬里，燕然未勒歸無計。羌管悠悠霜滿地。人不寐，將軍白發(fā)征夫淚?！?p> 范仲淹寫于此時的《漁家傲·秋思》詞，用近乎白描的手法，在上片描摹出了一幅寥廓荒僻、蕭瑟悲涼的邊塞鳥瞰圖；詞的下片則抒發(fā)邊關(guān)將士壯志難酬和思鄉(xiāng)憂國的情懷。整首詞表現(xiàn)將士們的英雄氣概及艱苦生活，意境開闊蒼涼，形象生動鮮明。
這首詞變低沉婉轉(zhuǎn)之調(diào)而為慷慨雄放之聲，把有關(guān)國家、社會的重大問題反映到詞里，可謂大手筆，和婉約詞的風格完全不同。從詞史上說，這首詞沉雄開闊的意境和蒼涼悲壯的氣概，對蘇軾、辛棄疾等也有影響。
康定二年（1041年）正月，仁宗詔命陜西各路討伐西夏，范仲淹上疏，建議加強邊防守備，徐圖西夏，仁宗采納。范仲淹又奏請修筑承平、永平等要塞，把十二座舊要塞改建為城，以使流亡百姓和羌族回歸。
二月，李元昊進兵渭州（今甘肅平?jīng)觯首谂鷾氏鸟捣垂ビ媱?，韓琦命尹洙謁見范仲淹，聯(lián)絡(luò)同時發(fā)兵。范仲淹認為反攻時機尚未成熟，堅持不從。韓琦派環(huán)慶路副都部署任福率兵出擊，西夏軍受挫撤退，任福下令急追，追至西夏境六盤山麓，于好水川遇伏被圍，任福等十六名將領(lǐng)陣亡，折兵萬余。四月，仁宗降夏竦為豪州通判，范仲淹為戶部員外郎、知耀州，職責不變。
五月，范仲淹改知慶州，兼環(huán)慶路都部署司事。李元昊起兵時，曾聯(lián)絡(luò)羌族，約定環(huán)慶路酋長六百余人為其向?qū)?。范仲淹到任后，即以朝廷名義犒賞羌族各部，與之簽訂條約，嚴明賞罰，羌族遂脫離西夏，為宋效力。為進一步穩(wěn)固邊防，范仲淹又修筑大順城，遏止白豹城、金湯城一帶的西夏軍進犯；同時，修葺細腰、胡蘆等軍塞，切斷敵軍通路，使明珠、滅臧兩部族安心歸附宋朝。
慶歷二年（1042年）閏九月，李元昊分兵兩路，再次大舉攻宋。涇原路經(jīng)略安撫招討使王沿獲知夏軍來攻，命副使葛懷敏率軍阻擊，進抵定川寨，宋夏會戰(zhàn)。定川寨之戰(zhàn)，宋軍大敗，葛懷敏與部將等16人戰(zhàn)死，喪師九千四百余人。李元昊揮師南下，進逼潘原，關(guān)中震動。十月，范仲淹親率六千軍隊，從邠州、涇州出發(fā)來進行援救，西夏軍隊撤出邊塞。
開始，定川戰(zhàn)敗的消息傳到朝廷，仁宗手按地圖，對左右侍臣說：“若仲淹出援，吾無憂矣。”范仲淹的援兵的奏報一到，仁宗大喜道：“吾固知仲淹可用也?！?p> 仁宗非常欣賞范仲淹的軍事才能，加封為樞密直學士、右諫議大夫，任鄜延路都部署、經(jīng)略安撫招討使。
十一月，仁宗采納范仲淹建議，恢復(fù)設(shè)置陜西路安撫、經(jīng)略、招討使，讓范仲淹、韓琦、龐籍分領(lǐng)職事。范仲淹與韓琦在涇州設(shè)置官第，將文彥博調(diào)到秦州做統(tǒng)帥，滕宗諒調(diào)到慶州做統(tǒng)帥，張亢擔任渭州的統(tǒng)帥。范仲淹為將帥，號令清楚，愛護士兵，對于前來歸附的各部羌人，誠懇接納，信任不疑。
范仲淹在鎮(zhèn)守西北邊疆期間，既號令嚴明又愛撫士兵，深為西夏所憚服，稱他“腹中有數(shù)萬甲兵”。
最后，李元昊向北宋稱臣，西夏軍隊不敢輕易侵犯范仲淹所統(tǒng)轄的地區(qū)。
“碧云天，黃葉地，秋色連波，波上寒煙翠。山映斜陽天接水，芳草無情，更在斜陽外。
黯鄉(xiāng)魂，追旅思，夜夜除非，好夢留人睡。明月樓高休獨倚，酒入愁腸，化作相思淚。”
范仲淹主持防御西夏的軍務(wù)，白天忙于戰(zhàn)事，到了傍晚，看著邊塞特有的風光，一股濃烈的鄉(xiāng)愁涌上心頭。正是這一股鐵漢柔情，讓這首詞聲情并茂，再加上范仲淹一貫的沉郁雄健，便令整詞一經(jīng)問世，便成為經(jīng)典，流傳千年。
“三黜人”范仲淹出色的治世才能，驚艷了宋仁宗，他任命范仲淹為參政知事，主導(dǎo)“慶歷新政”，革舊圖新。
遺憾的是，聲勢浩大的改革像一道閃電劃過夜空，僅一年就黯然謝幕了。