戍边西北
宝元元年（1038年），檔项族人李元昊称帝，建国号大夏（史称西夏），定都兴庆（今宁夏银川），与宋朝的外交关系正式破裂。次年，为逼迫宋朝承认西夏的地位，李元昊率兵进犯北宋边境，于三川口大败宋兵（三川口之战），集兵于延州城下，准备攻城。消息传至京师，朝野震惊。
康定元年（1040年）三月，因边事吃紧，仁宗以范仲淹众望所归，召回京师，担任天章阁待制、出知永兴军。七月，升为龙图阁直学士，与韩琦并为陕西经略安抚副使，担任安抚使夏竦的副手。八月，范仲淹请知延州，到任后，更改旧制，分部训练，轮流御敌；同时修筑青涧城和鄜城，作为军事基地，节省边境开支。仁宗诏命这支为康定军。
康定二年（1041年）正月，仁宗诏命陕西各路讨伐西夏，范仲淹上疏，建议加强边防守备，固守郦延，以军威恩信招纳西羌归附（时羌族为元昊向导，为其所用），徐图西夏，仁宗采纳。范仲淹又奏请修筑承平、永平等要塞，把十二座旧要塞改建为城，以使流亡百姓和羌族回归。
二月，元昊进兵渭州（今甘肃平凉），仁宗批准夏竦反攻计划，韩琦命尹洙谒见范仲淹，联络同时发兵。范仲淹认为反攻时机尚未成熟，坚持不从。韩琦派环庆路副都部署任福率兵出击，西夏军受挫撤退，任福下令急追，追至西夏境六盘山麓，于好水川遇伏被围，任福等十六名将领阵亡，折兵万余（好水川之战）。四月，仁宗降夏竦为豪州通判，范仲淹为户部员外郎、知耀州，职责不变。
五月，范仲淹改知庆州，兼环庆路都部署司事。元昊起兵时，曾联络羌族，约定环庆路酋长六百余人为其向导。范仲淹到任后，即以朝廷名义犒赏羌族各部，与之签订条约，严明赏罚，羌族遂脱离西夏，为宋效力。为进一步稳固边防，范仲淹又修筑大顺城，遏止白豹城、全汤城一带的敌军进犯；同时，修葺细腰、胡芦等军塞，切断敌军通路，使明珠、灭臧两部族安心归附大宋。
庆历二年（1042年）闰九月，元昊分兵两路，再次大举攻宋。泾原路经略安抚招讨使王沿获知夏军来攻，命副使葛怀敏率军阻击，进抵定川寨，宋夏会战，宋军大败，葛怀敏与部将等16人战死，丧师9400余人（定川寨之战）。元昊获胜后，挥师南下，进逼潘原，关中震动。十月，范仲淹率领六千，从邠州、泾州出发来进行援救，西夏撤出边塞。仁宗非常欣赏范仲淹军事才能，加封为枢密直学士、右谏议大夫，任鄜延路都部署、经略安抚招讨使。
十一月，仁宗采纳范仲淹建议，恢复设置陕西路安抚、经略、招讨使，让范仲淹、韩琦、庞籍分领职事。范仲淹与韩琦在泾州设置官第，将文彦博调到秦州做统帅，滕宗谅调到庆州做统帅，张亢担任渭州的统帅。范仲淹作将领，号令清楚，爱护士兵，对于前来归附的各部羌人，诚恳接纳，信任不疑，因而，至元昊向北宋称臣（庆历和议），西夏不敢轻易侵犯他所统辖的地区。
庆历新政
主词条：庆历新政
庆历三年（1043年），元昊请求议和，西方边事稍宁，仁宗召范仲淹回京，授枢密副使，又擢拔欧阳修、余靖、王素和蔡襄为谏官（俗称“四谏”），锐意进取。六月，谏官上言范仲淹有宰辅之才，仁宗欲拜为参知政事，范仲淹推辞不就；八月，仁宗罢免副宰相王举正，再拜范仲淹为参知政事。
仁宗调整辅臣结构后，多次召见富弼、范仲淹等人，征询天下大事。范仲淹虽感谢皇恩，却认为事有先后，朝廷陈弊积久，非一朝一夕所能改变。仁宗遂亲笔诏书，开天章阁、陈设笔砚、赐坐以待。范仲淹惶恐不安，退朝后作《答手诏条陈十事》，上疏仁宗“明黜陟、抑侥幸”等十件事。仁宗采纳，诏书统一颁布，以示天下，只有府兵法，因辅臣反对而作罢。
庆历四年（1044年），范仲淹又上疏仁宗“再议兵屯、修京师外城、密定讨伐之谋”等七事，并奏请扩大相权，由辅臣兼管军事、官吏升迁等事宜，改革广度和深度进一步增加。新政实施后，恩荫减少、磨勘严密，希图侥幸的人深感不便，于是毁谤新政的言论逐渐增多，指责范仲淹等是“朋檔”的议论再度兴起。六月，边事再起，范仲淹请求外出巡守，仁宗任命为陕西、河东宣抚使。
庆历五年（1045年）正月，反对声愈加激烈，范仲淹请求出知邠州，仁宗准奏，遂罢免其参知政事之职，改为资政殿学士、知邠州，兼陕西四路缘边安抚使。冬十一月，范仲淹因病上表请求解除四路帅任、出任邓州，以避边塞严寒，仁宗升为给事中、知邓州。随着范仲淹、富弼等大臣的离京，历时仅一年有余的新政也逐渐被废止，改革以失败告终。