他发誓要像当年东汉的窦宪击破匈奴登燕然山勒石纪功而还那样，保卫边疆，让百姓安居乐业。一连数日，范仲俺不停蹄地视察延一带地形和边防守备，听取守边将士的意见，视察归来，便废寝忘食地谋虑对付西夏的战略方针。范仲俺认为，宋军人数虽多，但缺乏强将精兵，战斗力差；西夏军人数较少，但兵精马劲，战斗力强，加上西夏境内山川险恶，沙漠广袤，其都城又远在黄河以北的兴庆府（住院要夏银川市）。所以，宋若兴兵深入，粮草辎重的运输，绵延百里，很容易遭到敌骑截击，一旦粮饷接济不上，就有被歼的危险，不宜采取深入敌境大举进攻的方针。但是，夏国经济力量薄弱，粮食不足，绢帛、瓷器、茶叶等都需从宋朝输入，这又是它的致命弱点。只要宋军实行坚壁清野的政策，努力修固边城，进行经济封锁，同时精练士卒，在夏军大举进攻时，扼险坚守，这样西夏军无隙可乘，锋芒受挫，西夏军屡屡穷兵黩武，无功而返，本国的经济就会十分贫乏，军队的斗志也会逐渐消失，到那时就可迫其讲和了。范仲俺根据以上分析，向朝廷提出了一整套以防守为主的御夏方针。这是一个符合客观情况的战略决策，但是当时却被不少人认为是怯懦的表现，就连与范仲俺交情很深的韩琦也不能理解。韩琦主张坚决进攻。他向朝廷提出：“宋军拥二十万重兵，只守界濠，这么怯弱，自古未有，长此以往，士气都要丧失光了。况且兴师以来耗资太大，再拖延下去，国家经费更加困难，故应该集中各路兵力攻打西夏，速战速记。”两种主张报到中央后，急于求成的宋仁宗采用了韩琦的主张，命令韩琦和范仲俺同时出兵。范仲俺感到这样做太危险，连上三表反对，但都无效。他只好请求留下延一路作为将来招纳西夏之用，宋仁宗勉强答应了。
庆历元年（1041年）正月，陕西主帅夏竦又派尹洙去延州说服范仲俺出兵，范仲俺仍然执意不肯。尹洙见他坚持已见，不禁叹息道：“范公这就不如韩公了，韩公曾说过：‘大凡用兵，当置胜败于度处’。”范仲俺一听，立即反驳道：“大军一动，关系万人性命，竟可置胜负于度外吗？金不敢苟同。”韩琦得知劝不动范仲俺，便贸然决定泾原一路自行出讨。他调集了镇戎军的全部人马，又临时召募了1800名壮士，全交给副将福率领，出兵后，任福及诸将轻敌贪功，被一小股佯装败退的夏军引诱，脱离了原定的行军路线，深入追击，当人困马乏的大军行至六盘山南麓的好水川口时，突然鼓角声大作，伏兵四起，宋军陷入了元昊的埋伏圈内，经过一场血战，任福等诸将战死，死伤万余人，仅千余人力战逃脱。之后，元昊兵指渭州（即今某肃平凉），但不迅速前进，以免孤军深入，被对方切断后路，夏辣见西夏示弱，就命驻渭州的宋军主动进攻西夏军，结果元昊看准地势，将宋军围困在定川砦，断水放火，宋军全军覆没。定川砦战后，元昊大军便无所阻拦地直抵渭州，焚掠后还军。
好水川和定川砦的惨败，证明进攻方针难以收效，迫使宋仁宗放弃了进攻方针，改而采取范仲俺的守策。战略确定以后，还必须有相应的措施来保证它的实行。于是范仲俺推行修固边城、精练士卒、招抚属等相应的措施。修固边城就是在宋夏交界的前沿阵地修筑寨堡，建立军事据点。范仲俺的部下种世衡建议，在延州东北二百里古宽州的故垒上筑城。这里地处要冲，右可屏障延州，左可得到山西的粮食，北可以进图银、夏二州。范仲俺采纳了这个意见，派种世衡率兵前去修筑，夏兵来争，种世衡就一边作战一边抢修。城内缺乏水源，他出重金奖励凿井，终于从地下150尺处冒出了清泉，于是取名为清涧城。种世衡又大兴营田，一年收获粮食近万石，补充了军粮；又募商贾通贸易，经济上逐渐充实起来。同时，鼓励军队练武习射，把银钱当靶心，谁射中就赏谁，自此人人能射，终于使清涧城成为延州北面一个坚固的军事要塞。在范仲俺及其后任的努力下，不仅修筑了新的军事据点，而且还先后修复了永平、承平等旧寨12处；召回附近逃亡的蕃汉人户，开辟营田数千顷，恢复了农业生产。考虑到当地百姓远路输纳赋课，过于劳苦，范仲俺还奏请将城县升建为军一级的行政单位，让河中府、同州、华州的中下等户，就近送缴课税。在春夏季节，则调延兵马来城这里，就近购食军粮，可以节省3/10的买粮开支，还不算别的减省。经济的恢复和军事力量的加强，使延州及周围附近的寨堡十分巩固。夏军私相告诫说：“别想打延州的主意了，现在的小范老了（指范仲俺）胸中有数万甲兵，不像大范老子（指范雍）好欺负。”
范仲俺的主张又推行到陕西沿边各路，没过几年，宋在延州与庆州间修筑了大顺城，在环州和镇戎军间修筑了细腰城和葫芦泉诸寨，打通了各州之间的道路，摆脱了孤立无援的境地，一方有警，各方应援，宋军的防守能力大大地加强了。
精练士卒，就是采取各种办法提高军队的战斗力。宋朝皇帝的诏旨中曾规定了各级将领统率军队的数目，若遇敌侵犯，地位低的军官就带军队先行出阵抵御。范仲俺说：“战将不选择适当的人，只以官阶高低作为出阵先后的标准，这是自取失败的办法。”于是，他认真检阅了延州的军队，淘汰了一批怯懦无能的将校，选拔了一批经过战火考验的有才干的人代替他们，他又淘汰老弱，选择18000名合格士兵，把他们分成6部，让每个将领统率3千人，分别予以训练，改变了过去兵将不相识的状况，临战时根据敌军多寡，调遣他们轮流出阵抗敌。范仲俺又积极召募士兵，因为原来守边的大都是从内地调来的已经腐化的禁军，这批人既不耐劳苦，又因久戌思乡，斗志不高，而从本地人民中召募士兵，熟悉山川道路，强悍敢战，又因保卫家乡，斗志较强。精练士卒，提高了军队的战斗力。此外，范仲俺能以身作则，将士没喝上水他从不说渴，将士没吃上饭他从不叫饿，朝廷赏赐给他的金帛都分发给将士。范仲俺赏罚分明，奖励勇猛杀敌的士兵，提拔重用立功的将领，对克扣军饷的贪污分子则当众斩首，毫不留情。这样，在范仲俺的率领下，西北军中涌现出许多像狄青、种世衡那样有勇有谋的将领，又训练出一批强悍敢战的士兵，直到北宋末年，这支军队仍是宋朝的一支劲旅。
招抚属就是大力争取宋夏交界的少数民族——羌族。在沿边横山一带散居着不少族部落，由于力量单薄，他们在宋、夏间持观望态度，有的曾投靠西夏，为元昊作过向导。范仲俺一方面筑堡立寨，切断他们与西夏的联系，并用兵保护他们的安全；另一方面竭力招抚他们，羌族酋长来见，范仲俺屏退卫兵，亲自接入内室，推心置腹相谈。羌族人亲热地唤他“龙图老子”（当时范仲俺的职衔是龙图阁直学士）。对受战争损害的羌族人民则拨给空地，发放粮食、农具等帮助他们恢复生产。这一政策更受到羌族人民的拥护。这样，羌族部落纷纷归附宋朝，担任宋军的向导，并出兵助战，有力地支持了宋军。
通过实施以上的措施，扭转了宋朝被动挨打的局面，使已经破坏的边防重新又巩固起来。边境上流传着一首歌谣说：“军中有一韩（琦），西‘贼’闻之心胆寒，军中有一范（仲俺），西‘贼’闻之惊破胆。”而西夏境内由于长期用兵，物资奇缺，物价飞涨，百姓怨声载道，无力战争。这样，双方从庆历三年（1043年）开始议和，到庆历四年正式达成和议。宋夏重新恢复了和平，西北局势得以转危为安。
四、主持庆历新政推行政治改革
庆历三年四月，宋夏局势刚刚和缓，宋仁宗便将范仲淹调回东京，升任为参知政事（副宰相），与枢密副使富弼、韩琦等人一道主持朝政。当时，北宋的官僚机构越来越臃肿，而行政效率越来越低，军队数量不断增加，但内忧外患不时爆发，百姓负担十分沉重，国家财政却入不敷出。不少有远见的人担心封建国家的命运，连连上疏要求宋仁宗进行改革，在严重的危机面前，宋仁宗三番五次召见范仲淹等人，赐给他亲笔写的诏书催促说：“你们为国尽心，不必有什么顾虑，凡是急需改革的事，赶快提出来。”并且叫人打开宫中的天章阁，在条案摆好纸笔，督促他们立即写出改革方案。范仲淹一贯主张改革，以治理天下为己任。早在天圣五年（1027年），范仲淹就曾洋洋万言上书朝廷，提出一系列建议：选择贤明的人作州郡长官，举荐有成绩的人当县令，排除社会上的游散懒惰势力，裁汰冗员并取缔过度侈费，严密选举制度，培育将帅以加强边防等。后来他又经常上书，分析民间利病和朝政得失。现在他更觉得责无旁贷，但他又深知积重难返，他对人说：“皇上对待我，真够信任的了。不过，事情总有个先后缓急；以往长期安定局面中积累的弊病，决非一朝一夕所能革除呵！”然而国家的危机如此严重，皇上求治如此心切，时间是耽搁不起的，于是范仲淹认真总结从政28年来酝酿已久的改革思想，很快呈上了著名的新政纲领《答手诏条陈十事》，提出了十项改革主张，它的主要内容是：
（一）明黜陟，即严明官吏升降制度。那时，升降官员不问劳逸如何，不看政绩好坏，只以资历为准。故官员不求有功，但求无过，********，无所作为。范仲淹提出考核政绩，破格提拔有大功劳和明显政绩的，撤换有罪和不称职的官员。
（二）抑侥幸，即限制侥幸作官和升官的途径。当时，大官每年都要自荐其子弟充京官，一个学士以上的官员，经过二十年，一家兄弟子孙出任京官的就有二十人。这样一个接一个地进入朝廷，不仅增加了国家开支，而且这些纨绔子弟又不干正事，只知相互包庇，结党营私。为了国家政治的清明和减少财政开支考虑，应该限制大官的恩荫特权，防止他们的子弟充任馆阁要职。
（三）精贡举，即严密贡举制度。为了培养有真才实学的人，首先应该改革科举考试内容，把原来进士科只注重诗赋改为重策论，把明经科只要求死背儒家经书的词句改为要求阐述经书的意义和道理。这样，学生有真才实学，进士之法，便可以依其名而求其实了。
（四）择长官。针对当时分布在州县两级官不称职者十居八九的状况，范仲淹建议朝廷派出得力的人往各路（北宋州以上的一级监察和财政区划）检查地方政绩，奖励能员，罢免不才；选派地方官要通过认真地推荐和审查，以防止冗滥。
（五）均公田。公田，即职田，是北宋地方官的定额收入之一，但分配往往高低不均。范仲淹认为，供给不均，怎能要求官员尽职办事呢？他建议朝廷均衡一下他们的职田收入；没有发给职田的，按等级发给他们，使他们有足够的收入养活自己。然后，便可以督责他们廉节为政；对那些违法的人，也可予以惩办或撤职了。
（六）厚农桑，即重视农桑等生产事业。范仲淹建议朝廷降下诏令，要求各级政府和人民，讲穷农田利害，兴修水利，大兴农利，并制定一套奖励人民、考核官员的制度长期实行。
（七）修武备，即整治军备。范仲淹建议在京城附近地区召募强壮男丁，充作京畿卫士，用来辅助正规军。这些卫士，每年大约用三个季度的时光务农，一个季度的时光教练战斗，寓兵于农，实施这一制度，可以节省给养之费。京师的这种制度如果成功了，再由各地仿照执行。
（八）推恩信，即广泛落实朝廷的惠政和信义。主管部门若有人拖延或违反赦文的施行，要依法从重处置。另外，还要向各路派遣使臣，巡察那些应当施行的各种惠政是否施行。这样，便处处都没有阻隔皇恩的现象了。
（九）重命令，即要严肃对待和慎重发布朝廷号令。范仲淹认为，法度是要示信于民，如今却颁行不久便随即更改，为此朝廷必须讨论哪些可以长久推行的条令，删去繁杂冗赘的条款，裁定为皇帝制命和国家法令，颁布下去。这样，朝廷的命令便不至于经常变更了。
（十）减徭役。范仲淹认为如今户口已然减少，而民间对官府的供给，却更加繁重。应将户口少的县裁减为镇，将各州军的使院和州院塥署，并为一院；职官厅差人干的杂役，可派级一些州城兵士去承担，将那些本不该承担公役的人，全部放回农村。这样，民间便不再为繁重的困扰而忧愁了。
《条陈十事》写成后，立即呈送给宋仁宗。宋仁宗和朝廷其他官员商量，表示赞同，便逐渐以诏令形式颁发全国。于是，北宋历史上轰动一时的庆历新政就在范仲淹的领导下开始了，范仲淹的改革思想得以付诸实施。
庆历三年（1043年）底，范仲淹选派了一批精明干练的按察使去各路检查官吏善恶。他坐镇中央，每当得到按察使的报告，就翻开各路官员的花名册把不称职者的名字勾掉。枢密副使富弼平时对范仲淹十分尊敬，这时见他毫不留情地罢免了一个又一个官员，不免有点担心，从旁劝止说：“您一笔勾掉很容易，但是这一笔之下可要使他一家人痛哭呀！”范仲淹听了，用笔点着贪官的名字愤慨地说：“一家人哭总比一路人哭要好吧！”