庆历四年，边境的形势发生了改变。西夏与辽国最初是一种同盟的关系，西夏日益强大后，企图与辽分庭抗礼，辽夏关系走向破裂。辽国一方面反对宋朝与西夏议和，一方面开始聚集大军，对西夏进行军事威胁，爆发了系列战争。
在情报资讯不发达的时代，范仲淹开始并不明了西夏与辽国之间关系和形势的转变，对辽国、西夏最近的言行和军事行动保持高度警惕性。范仲淹对仁宗分析说：据收到的情报，“契丹大发兵马，讨伐呆儿族并夹山部落，及称亦与元昊兵马相杀。又报元昊亦已点集左厢军马。既是二国举动，必有大事”。范仲淹提出质疑说：夹山等蕃部小族，值得两国各发大军攻讨吗？“此可疑一也。”元昊向来依仗契丹侵凌中原，现在没有重大缘故，为什么要与契丹举兵厮杀？此可疑二也。“自古圣贤都认为敌人没有信用，现在朝廷倾向于相信辽、夏交恶的说法，这可取吗？”此可疑三也。“辽与夏多次侵凌中原，勒索钱财，不顾盟约。如果”盟信可保“何至于出现当前的局面？”此可疑四也。“河东数年地震，是边境有警的征兆。两国聚集大军于此处，”此可疑五也。“据情报报道，契丹多次派遣使臣打探南山等地的道路地形，此可疑六也。”
据此分析，范仲淹提出三“大可忧”。第一，两国不守盟信，发大军突袭，“河东军马不多，名将极少，寡不敌众，谁敢决战”？第二，契丹擅长攻城，据情报报道，契丹准备了大量攻城的战具，西夏则无城可攻。如果攻入宋朝，“并攻三两城，破而屠之，则其余诸城乘风可下”。第三，这次不入侵，骗取宋朝信任，“徐为后举之策”。范仲淹因此要求二府大臣尽快商议，讨论“河东御捍之策”。
范仲淹的种种分析和忧虑，事后被证明不是多余的。在北宋军事实力处于弱势的背景下，对边患的忧虑更加充分一些，是非常有必要的，常备不患。正因为范仲淹等庆历大臣的思虑周详、眼光深远，才保证了宋朝边境的持久安宁。上述诸种分析和忧虑，正是范仲淹离开朝廷、再度前往边疆的现实背景。
正如前言，朝廷采纳枢密院集体意见，分派富弼负责东北边务，范仲淹再次回到自己熟悉的西北边境。
范仲淹这次赴边，挟宰辅身份之重，朝廷给予充分支持。庆历四年七月，当时范仲淹还没有离开京城，朝廷就“降空名宣头百道”，专门为范仲淹预备，让他奖赏有功将士。“空名宣头”是空白的诏令，届时内容就随范仲淹填写。八月，范仲淹启程时又推荐进士张挺“有武力胆略，乞补三班差使殿侍，为随行指使”，立即获得朝廷同意。不久，范仲淹再次请求让“泾原路参谋郭固随行，教习军阵”，同样获得朝廷认可。
然而，这时候宋、夏议和进入最后阶段，边塞非常平静，这与范仲淹第一次赴边时狼烟四起、战火弥漫的形势完全不同。这时，范仲淹能够处理的都是一些琐碎小事。如，庆历四年十月二十二日，范仲淹向朝廷报告：努玛族太尉香布率18位族人归顺宋朝，朝廷给他们各封官爵；二十四日，范仲淹建议朝廷招收麟州、府州（今陕西府谷）周边嘉舒、克顺等七族，免除边患隐忧，朝廷认为元昊已进誓表，不必要多此一举，范仲淹认可朝廷的决断。
范仲淹又弹劾河东转运使刘京私人从事商业贸易，骚扰百姓，刘京被罢免。
以往士兵因官吏酷刻被逼为盗贼的，范仲淹出榜昭示：限一个月内到官府自首，不予问罪处罚，重新归队。
此外，范仲淹免除部分贫穷逃亡百姓的赋税，诱导他们回家耕种，重新从事农业生产。于是，当地的盗贼、流民大大减少，社会秩序迅速好转。
当时，朝廷为了整顿所发行的钱帛，下令停止使用大铁钱，由于措施过于突然，并州百姓十分恐慌，他们在贸易中所得的大铁钱就必须废弃，纷纷向范仲淹申诉。军队将士以往的军饷也是大铁钱，将士们高声吵闹说：“朝廷发给我们的，为什么不能用？”范仲淹敢于担当责任，立即下令恢复大铁钱的使用。范仲淹担心在他管辖范围内的其他州郡也发生类似情况，赶紧逐处发榜，告谕军民，稳定民心军心。
范仲淹这时候做的另一件比较大的事就是增修城寨碉堡，尽可能收取宋朝原有辖地，加强宋朝防线。因为与西夏和议已成，现在收复的土地都是西夏无心顾及、战争中荒废的，修筑城堡也是为了保护当地生产，没有以往的步步进逼目的。范仲淹向朝廷进言说：麟州和府州两地之间“山川回环五六百里”，旧时是汉人、蕃人的耕耘土地，战争时期被西夏所掳掠，现在还有三千多户人家散居这一地带。从前只是修建麟州、府州交通要道上的堡寨，其余地区无城寨可守，百姓也不敢恢复生产。范仲淹建议麟、府二州重新修建必要的城寨，招集散落的蕃、汉人户，恢复生产，招募当地士兵，减少派遣的戍兵数量。这些举动，从长远来看也有利于边塞防守。
范仲淹主张修建细腰城。在环庆路和泾原路之间居住着诸多羌族部落，其中最大的部落有明珠、灭藏、康奴三族，向来不服宋朝管制，与两夏相互呼应。范仲淹建议在三大部落与西夏交通要道上修建细腰城，阻断他们之间的联络。获得朝廷同意后，范仲淹命知环州种世衡和知原州蒋偕共同主持这项工程。当时种世衡已经卧病在床，接到命令后立即率兵前往细腰城与蒋偕会合。他们命令士兵日夜修筑城墙，又设宴款待三族部落酋长，对他们说：朝廷在这里修筑城寨，是为了帮助你们抵御外来入侵之敌的。这次修筑城寨出其不意，三族又失去了西夏的支援，只能坐视细腰城落成。细腰城修筑完工，种世衡就因病去世了。范仲淹进而命令蒋偕在大虫巉修建堡垒，围困羌族部落。在修建此处堡垒期间，明珠等部落发动袭击，蒋偕从小道逃跑。蒋偕请求戴罪立功，获得同意后，蒋偕率兵再次前去，最终完成堡垒修建。
边塞即使在和平时期也有许多小摩擦、小冲突，对峙的双方总是在抢夺防守或进攻的主动权。范仲淹显然没有认为和议签署就万事大吉，依然兢兢业业经营宋朝边境防线。事实证明，宋朝与西夏的和议并不牢固，仁宗朝以后又多次发生战争。范仲淹的系列作为有深远的战略战术意义。
边塞战争，敌我双方拉锯，大量土地荒废，或者朝廷明令禁止耕种，以免为敌所用。相对和平时期，恢复当地生产为第一要务，范仲淹在这方面有大量作为。代郡（今张家口、大同—带）周围地区，这样废弃的土地尤其广袤，当年欧阳修出使当地，曾经建议朝廷废除禁令，允许百姓耕种。因边境将帅意见不一致，欧阳修的建议没有得到贯彻落实。范仲淹到前线主持大局之后，屡次向朝廷上疏，要求落实欧阳修的建议。后来，仅仅岢岚（今属山西）境内的荒废土地得到耕种，边塞的粮食就非常充足了，可见边塞恢复生产大有可为。
范仲淹在边塞期间的政绩可以看出他对国家、对朝廷、对社会的热情可见一斑。