宋仁宗康定元年（1040年）八月，范仲淹受命于危难之际，以龙图阁直学士的身份，与韩琦并为陕西经略安抚副使、兼知延州的。经略安抚司设在长安（今西安市），范仲淹到任不久，即北去延州。这是寒风萧瑟的季节。范仲淹52岁，鬓发斑白，身为朝廷任命的戍边帅臣，面对延州战乱造成的凄凉景色和守边将士们的艰苦生活，范仲淹感慨万千，他写下了流传千古的名词《渔家傲·秋思》：“塞下秋来风景异，衡阳雁去无留意。四面边声连角起，千嶂里，长烟落日孤城闭。独酒一杯家万里，燕然未勒归无计。羌管悠悠霜满地，人不寐，将军白发征夫泪。”
　　当时，宋军在战场上不断失利，局势岌岌可危。西夏的首领赵元昊不仅剽悍傲慢，而且野心勃勃，他继位不久，便在宋夏边境上陈兵十万，北宋的凉州、瓜州、肃州等地方在西夏军队的进攻下很快就土崩瓦解。北宋军队的的惨败让朝廷极其震惊，皇帝宋仁宗大为震怒，他几次换掉了西北统帅却都无济于事。北宋以文御武的传统做法，让宋仁宗在拥有一百五十万军队的情况下屡战屡败。这时，宋仁宗采纳了宰相吕夷简的意见，让范仲淹到西北守边。


　　到了延州的范仲淹先是认真视察了防卫情况，分析了双方的兵力情况。宋军的数量虽然多，但是却缺乏战斗力，而且，这里的山路崎岖狭窄，车辆难行，辎重运输非常困难，一时难以抵御生性剽悍、来势凶猛的西夏军队，权宜之计，只有对内修固边城，严格训练士兵；对外坚壁清野、多修城堡、封锁交通，以挫败对方的锐气，认为只要在经济上对西夏进行封锁，不出两三年，西夏必然会难以支撑，不战而溃。
　　然而，范仲淹的这种积极防御、伺机反击的战略主张，却遭到一部分主战派的抵触，他们认为范仲淹这样做是怯懦无能的表现。而年轻气盛的韩琦，也是极力主张迅速进攻，与西夏决战。这时，急于求成的宋仁宗，采纳了韩琦等人的主张。庆历元年（1041年）初，韩琦调集了手下的全部人马出击西夏，西夏的赵元昊则只用了一部分将士迎战。交战不久，西夏军便佯败而逃，韩琦立刻率领全部人马乘胜追击，结果，被诱入到了西夏军在好水川设下的埋伏圈内。一场恶战下来，宋军伤亡六千余人，韩琦被迫带着残兵败将狼狈撤退。在返回的路上，阵亡士兵的家属拦路号啕痛哭，使得惨败的韩琦惭愧不已。
　　韩琦主张并带领军队进行的好水川之战的惨败，使得韩琦和朝廷的主战派甚至宋仁宗都认识到了盲目进攻的主张是错误的，而范仲淹提出的稳健的积极防御伺机进攻的主张是正确的。于是，宋仁宗采纳了范仲淹的审时度势、若战必胜的作战方略。


　　范仲淹和韩琦同心协力，积极配合，在宋夏边境开始修筑寨堡、边城，大力训练士兵，积极建立防务。首先，范仲淹整编了延州的军队编制，淘汰了那些毫无战斗力的老弱残兵，加强军队训练。同时，范仲淹注意选拔和培养人才，大胆任用了种世衡、张去惑、狄青等有勇有谋而又熟悉边境地理和边境少数民族，又深得民心的人才，委以重任。范仲淹治军严谨，赏罚分明，对有功者奖，有罪者罚，对那些罪大恶极和克扣军饷的贪官污吏，一经查实，严惩不贷。范仲淹的做法使得人心诚服。很快，范仲淹就训练出了一支勇猛善战、纪律严明的具有強大战斗力的军队，巩固了边防。同时，范仲淹还对西夏实行了严密的经济封锁。接着，范仲淹便开始寻找战机，突袭制胜，一举收复了灵州、夏州等重要的城市。当时，西夏军对范仲淹非常惧怕，他们说：“如今的小范老子（范仲淹）腹中有数万甲兵，可不比大范老子（范雍）可欺也！”
　　范仲淹在巩固边防城堡、加强军队训练的同时，积极做好少数民族安抚的工作，亲自拜访接见少数民族的酋长，和他们推心置腹地促膝谈心。分给少数民族的百姓土地、粮食和生产工具，帮助他们进行农业生产，保护他们的合法利益，对有功的少数民族给予奖励。少数民族酋长和百姓都亲切地称呼范仲淹为“龙图老子”。于是，不少少数民族部落都纷纷前来归顺了宋朝。这使得西夏的赵元昊受到了孤立，北宋的边防也更加巩固了。当时，西北边境上流传着这样的话：“军中有一韩（韩琦），西贼闻之心胆寒，军中有一范（范仲淹），西贼闻之惊破胆。”然而，一贯狂妄骄横的赵元昊几次来犯北宋边境，都是损兵折将，遭遇惨败。由于在军事上屡遭失败，西夏的粮食日渐紧缺，国力也逐渐消耗得难以支撑，这迫使赵元昊不得不向宋朝求和。范仲淹的举措使得西夏不得不对宋朝称臣。


　　赵元昊派了被他俘虏后归顺了西夏的寨门寨寨主高延德前来求见范仲淹，表达了西夏想要和宋朝议和的意思。范仲淹知道赵元昊此时是不会有议和诚意的。不过，一贯主张坚守待机行事的范仲淹，又担心稍有不慎会断绝了议和的道路，造成战略上的失误。因此，他便写了一封长信，派部将韩周为使，与高延德去见赵元昊。范仲淹在信中讲了八条道理，并反复晓之以利害，劝赵元昊息兵休战，立即向大宋称臣。赵元昊见到范仲淹的信后，又派使臣带来一封回信，信中措词强硬，态度十分蛮横，并声称自己是不会取消皇帝的称号的，也决不向宋朝称臣。范仲淹看了赵元昊的信后，很是气愤，但是，他考虑再三，觉得这封信一时不便向朝廷转达。于是，便叫人抄了副本，副本中删去了一些赵元昊写的实在不堪入耳的词句，然后，范仲淹当着西夏使臣的面，将赵元昊写的信焚烧了。范仲淹抄的副本送到朝廷后，有人认为范仲淹不应该与赵元昊通信，更不该焚烧赵元昊的原信。宰相吕夷简说范仲淹这样做是把事情搞砸了。参知政事宋庠说范仲淹这样做是眼里没有皇帝，应该斩首。枢密副使杜衍却站出来说，范仲淹一向对朝廷忠心耿耿，他这样做完全是为了壮大宋国威而招降西夏，决没有罪。范仲淹出征西夏是吕夷简推荐的，于是，吕夷简也改变了态度，和知谏院孙沔等69人都和杜衍一起尽力为范仲淹辩解。对此，宋仁宗虽然没有降罪于范仲淹，却免去了范仲淹经略安抚副使的职务，降知耀州。
　　范仲淹到了耀州后，立即给宋仁宗上了一份《耀州谢上表》，反复讲明了遣使西夏、与赵元昊通信、焚西夏原信、不把原信的全文上报朝廷等事，完全是为了大宋的尊严和战略的需要才那样做的。范仲淹说得合情合理，展示了他的战略远见和对西北边防的一贯的战略思想和良苦用心。
　　庆历三年（1043年）正月，赵元昊先是派使臣去宋朝的守边部队中求和，双方经过协商，取得了一些进展。随后，赵元昊又派使臣到北宋的京城汴京求和，正式向宋朝称臣，宋仁宗封赵元昊为西夏国主，同意在宋夏边境的高平寨设立贸易市场，进行商品交易。宋朝每年赐给西夏绢十万匹、茶三万担。从此，宋朝西北边境的紧张局面总算是缓和了下来。
　　宋西夏议和协议达成之后，边境局势稍有缓和，范仲淹奉诏回京。这时，谏官们纷纷上书，推荐范仲淹出任参知政事。然而，范仲淹的心依然牵挂着宋西夏边境的事态发展。他认为，赵元昊为人一向骄诈蛮横，是不会甘心真正向宋朝俯首称臣的。又加上这时北部的契丹也一再挑起事端。因此，范仲淹多次请求朝廷派他与韩琦仍然回陕西边防上戍边。然而，朝廷决定升任范仲淹为参知政事，范仲淹再三推辞，并向宋仁宗反复说明自己最熟悉西北边境的情况，但是，最终没有得到宋仁宗的同意。庆历四年（1044年），范仲淹的好友、同榜进士滕子京谪守巴陵（今湖南岳阳）郡。滕子京谪守巴陵后，重修了岳阳楼，并请好友范仲淹为岳阳楼写一篇记。庆历六年（1046年）九月十五日，范仲淹写成了光照千古的《岳阳楼记》，在这篇368字的文章中，范仲淹抒发了自己的感情，有“不以物喜，不以己悲”的博大胸怀，有“居庙堂之高，则忧其民，处江湖之远，则忧其君”的伟大抱负，更有“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的政治理想，这也正是他一生“富贵不能淫，贫贱不能移，宠辱不惊，得失不计”和“以天下为己任”的人品和气节的真实写照。