凡能担当大事、追求大胜之人，在大事当前，往往会以大局为重，彼此之间不计前嫌，团结一致共谋大事。范仲淹与吕夷简不计前嫌，重归于好，同心协力共同抗击西夏的入侵，让入侵者不敢轻举妄动，使北宋人民的安全有了保障。
宋仁宗宝元元年（1038年），元昊正式称帝，建国号大夏，公开撕毁了李德明同宋朝订立的和约。紧接着，元昊又于次年正月上表宋朝，要求宋朝正式承认大夏，企图以此刺激宋王朝统治者，逼使宋朝作出反应。宋朝果然忍受不了这一刺激，于宝元二年（1039年）六月下诏削除元昊的赐姓和官爵，停止同西夏的边境互市，并在边境发布文告，宣布谁能捕杀元昊，即授其定难军节度使。元昊也乘机把宋朝授予的旌节和封号敕诰退还宋朝，公开同宋朝决裂。这一年的十一月，元昊率兵进犯宋朝的保安军（今陕西志丹），宋与西夏的战事正式爆发。
宋与西夏的战争爆发之时，范仲淹在越州知州任上，宋仁宗召其为天章阁待制、知永兴军（陕西西安），不久改任陕西都转运使。
适值吕夷简自大名（今河南大名南）复入相。吕夷简自从范仲淹被贬往饶州不久，也被罢去宰相之位，知大名府，这时也被召回朝廷，复任宰相。吕夷简对仁宗说：“范仲淹乃当今贤臣，岂能以旧职用之！”
宋仁宗宣谕范仲淹与吕夷简消除他们之间的不愉快，范仲淹说：“臣前论吕相盖为国事也，于吕相无憾也。”
吕夷简也说：“夷简岂敢以旧事为念也！”
就这样，范仲淹与吕夷简不计较前嫌，重归于好，共同商议抗击西夏事宜。在吕夷简的提拔下，宋仁宗除范仲淹为龙图阁直学士。
在宋与西夏交兵之初，由于宋朝长期以来推行“守内虚外”的腐朽政策，武备失修，军政腐败，将官怯懦寡谋，不识干戈，兵骄不知战阵，兵器也朽腐不堪，致使宋兵一败涂地，边境屡受侵犯。特别是负责指挥对西夏防御战事的范雍等文官既不懂军事又缺乏谋略，加之朝廷派去担任监军职事的宦官又对军事行动横加干预，在宋仁宗康定元年（1040年）正月的三川口（今陕西延安西）战役中，因延州（今陕西延安）主帅范雍指挥失策，宋军大将刘平、石元孙被俘，万余宋军损失殆尽，延州城几乎被西夏军队攻破。
三川口战役的惨败使宋朝大为震恐，急忙征调军马粮草入陕增援，并撤换主帅，以夏竦为陕西经略安抚使，韩琦、范仲淹为陕西经略安抚副使，一同入陕主持军事。面对延州屡遭敌犯的情形，范仲淹主动请缨，要求驻守延州，获得朝廷的恩准。范仲淹以龙图阁直学土、陕西经略安抚副使的身份兼任延州知州。
按照宋朝的规定：守边之兵由将官分领，总管领兵万人，钤辖领兵五千人，都监领兵三千人，作战之时，则由官位卑微的将官首先出击。结果，常常被敌人打得大败。范仲淹说：“将不择人，以官职大小为先后，此取败之道也。”他针对军中论资排辈的弊端，首先进行改革。
范仲淹将延州一万八千人分为六队，每队三千人，由六个将官率领，加强训练。作战之时，不按以往的作法出击，而是根据来敌的数量强弱分布军事力量，共同御敌，经过范仲淹的整顿，延州一线战事开始有了转机，士气也逐渐振奋起来。当时，由于西夏的不断进攻，延州周围许多用于防御的堡寨已经废弃，范仲淹为了防御能力，根据地形增筑了一系列新的堡寨，并对已废弃的堡寨根据需要进行恢复，使各堡寨之间相互应援，这样一来，范仲淹主持的延州一线防务日趋稳固。
当西夏人了解到范仲淹在延州的防御部署之后，互相警告说：“如今不能再轻视延州了！小范老子（指范仲淹）胸中自有数万甲兵，不比大范老子（指范雍）可欺啦！”
范仲淹在延州主持军事时，还非常注意选拔将材。行伍出身的狄青作战非常勇敢，临阵之时常常披头散发，头戴铜面具，在敌阵中杀进杀出，所向披靡。范仲淹对狄青非常赏识，不仅给予优厚的待遇，还授予他《左氏春秋》，并对狄青说：“将不知古今，匹夫之勇而已。”狄青在范仲淹的教导之下，努力读书，精通秦汉以后诸将帅的兵法，成了一名智勇双全的将领，为大宋王朝立下赫赫战功，后来官至枢密使，这一切，都与范仲淹的栽培密不可分。
范仲淹还善于采纳别人的意见。当时，挪州（今陕西富县）判官种世衡说：“延州东北二百里，有故宽州，请依其废垒而建城，以当敌寇，右可固延州之势，左可致河东之粟，北要图银、夏之旧。”范仲淹便依照种世衡的建议，在宽州城废址上修建青涧城（今陕西清涧），在那里兴营田，招商贾，听民互市，以通有无，并以种世衡知青涧城，使其成为抵御西夏的重要堡垒。
为了减轻关中老百姓运输军粮之苦，范仲淹上奏朝廷说：“关中民苦于远输粮草，请陛下下诏建鄜城县为军，凡河中、同州（今陕西大荔）、华州（今陕西华县）中下户租税均运至其地，以减少百姓路途之苦。”宋仁宗接受了范仲淹的建议，并命名鄜城县为康定军。
范仲淹守边期间，非常爱惜士卒。相传，范仲淹曾以黄金铸了一个信笺筒，其上饰以七宝，每得朝廷敕诏命书，即贮之筒中。后来，一个跟随范仲淹多年的老卒将其盗去，范仲淹知而不究。到了后来，一个叫袁桷的人题诗范仲淹像，诗云：
甲兵十万在胸中，赫赫英名震犬戎。
宽恕可成天下事，任他老卒盗金筒。
对其宽厚善良进行了热情地讴歌，从中也可以看出范仲淹爱惜士卒不随意惩罚他们的一般情形。
在对西夏用兵的策略上，范仲淹与韩琦有不同的主张。韩琦主张会兵出击，以攻为主；范仲淹则主张重防御，以守为主。但韩琦是当时有名的军事统帅，名气远比范仲淹大，朝廷往往采纳韩琦的建议，结果总是招致败绩。
宋仁宗康定元年（1040年），在韩琦的建议下，宋仁宗下诏准备大军讨伐西夏。到了宋仁宗庆历元年（1041年）春天，仁宗下令大军进发，讨伐西夏。范仲淹上奏说：“正月内起兵，军粮马匹，动逾万计，入险阻之地，遇上塞外雨雪大寒，则士卒马匹必然暴露僵仆，使贼有机可乘，所伤必众。今鄜、延诸州城垒、兵甲、粮草、士马攻守之计已严整有序，不患贼至矣！请等春暖之时出师，那时贼马瘦人饥，其势易制，又可扰乱其耕种之事，绝无大获，亦不至于有他虞哉。”对于范仲淹所言，宋仁宗全部采纳，令夏竦、韩琦、范仲淹伺机出兵。
范仲淹为了孤立元昊，不断地招纳周围的少数民族，使其为宋所用，他将自己的想法上奏朝廷说：“前陛下下敕令臣招纳蕃族首领，臣迹遣人探问其情，蕃族有通朝廷之意。为了使其不至于僭号而又能修时贡之礼，宜留鄜、延之路以为通道，领诸将勒兵备器，贼至则击。乘讨伐未行之机，容臣示之以恩义，岁时之间，或可招纳。不然，臣恐隔绝情意，偃兵无期。若用臣策，岁月无效，然后徐图举兵，先取绥、宥，据其要害，屯兵营田，为持久之计。如此，则茶山、横山一带番、汉人民，惧大宋兵威，可以招降，即使有窜奔者，亦是去西夏一臂，拓疆御寇，则无轻举之失也。”仁宗下诏悉听范仲淹所奏。
范仲淹前后六次上奏，请求朝廷缓兵而行，但求胜心切的宋仁宗终于在庆历元年（1041年）二月下令讨伐西夏，但范仲淹始终坚持不可轻易出兵。当时，范仲淹的老友尹洙任秦州通判兼经略判官，他来到范仲淹处，对范仲淹说：“公于战事不及韩公也，韩公云：‘用兵当置胜负于度外也。’今公区区谨慎，此所以不及韩公也。”
范仲淹说：“大军一动，万命所悬，置之度外，仲淹未见其可。”二人意见不合，尹洙负气而返。
韩琦当时已派大将任福率一万八千人深入西夏境内，企图截断进攻渭州（今甘肃平凉）的西夏兵的退路。任福率军抵达好水川（今宁夏隆德县东）时，中了元昊的埋伏，大将任福等人战死，宋军大败，死亡达一万余人，陕西为之震动。韩琦率残兵败将还至半道，只见亡卒的父兄妻子号泣于马前，皆持纸钱故衣招魂哭道：“汝昔从韩公出征，今韩公归而汝死矣。汝之魂亦能从韩公而归乎？”哀恸之声震天动地。韩琦不胜悲愤而掩面泣注，驻马不能前。
范仲淹听说之后，叹息道：“当是时岂可置胜负于度外也！”
范仲淹任环庆路主帅期间，环庆路诸羌有酋长六百余人，在元昊僭号之初，他们都归顺元昊，成了西夏进攻宋朝的向导。范仲淹为了招纳他们，以诏书犒赏诸羌酋长，阅其人马，与之相约道：“若仇家之已了断，还要报仇乃至伤人者，罚羊一百只、马二匹；因报私仇而杀人者，斩无赦。负债争讼，应当告官处理，动辄因此而绑缚他人者罚羊五十只、马一匹。贼马入界，追集不赴随本族者，每户罚羊二只，且质其首领。贼大入，老幼入保本寨，官给食物；不入寨者，本家罚羊二只；全族不至者，质其首领。”诸羌皆受命，从此他们为大宋所用，使元昊失去了入侵时的向导。
宋仁宗庆历二年（1042年）闰九月，元昊大举进攻泾原路所属的镇戍军（今宁夏固原），王沿派大将葛怀敏率兵御敌，在定川（今甘肃平凉市北）遭元昊包围，葛怀敏及将多人战死，九千多名宋军及六百匹战马皆被俘虏。元昊乘胜长驱直入，攻入渭州，大肆抢掠，并且发布文告扬言要亲临渭水，直据长安。关中为之震恐，民多窜入山谷之间。
定川战事初起之时，宋仁宗按地图对左右大臣说：“若仲淹出援，朕无忧矣。”
后来，范仲淹果然率众六千，自庆州增援定州，元昊才撤退回去。奏至京师，仁宗大喜道：“朕固知仲淹可用也。”下诏进范仲淹为枢密直学士、右谏议大夫。范仲淹以军出无功，故不敢受，宋仁宗不听，依旧拜之。
定川战役之后，宋朝罢免了王沿泾原主帅之职，以韩琦、范仲淹、庞籍分管陕西的防务。在范仲淹等人的努力之下，宋朝的边境防线逐渐稳固下来，范仲淹与韩琦也名声大震，当民间流传着这么一句谚语：“军中有一范，西夏闻之心胆颤；军中有一韩，西夏闻之心胆寒。”艰苦的守边生涯，磨练了范仲淹的意志，使他成为当时社会一位真正能出将入相的政治家、军事家、文学家，为他以后进行改革奠定了坚实的基础。