庆历元年二月，韩琦得知元昊将出兵渭州，便决定全面出兵。谁知夏军以佯败的假象对宋军进行了引诱，导致宋军在六盘山下的好水川遭到夏军伏击，宋军惨败。韩琦被贬知秦州，范仲淹也因擅自与元昊通信劝其罢兵，并焚毁了西夏复信，被贬知耀州。不过经过这一战，朝廷及韩琦等人都知道范仲淹的战略思想才是正确的。庆历二年十月，朝廷再次任命范仲淹为环庆路都部署、经略安抚招讨使，掌握该路军事，并以韩琦、王沿、庞籍分掌秦凤路、泾原中、鄜延路军事，范仲淹从此得以充分施展军事才能。
范仲淹根据自己的战略思想和作战方针，采取了一系列重要措施。首先是修筑城寨，采取稳扎稳打、步步为营的战备。他先后修建了青涧、大顺等城，控制住了边塞的战略要地。其次是争取、团结羌族，从而削弱和孤立了西夏。范仲淹和他的部下经常深入羌民中间，扶贫济困，当西夏进犯时，又经常驱马相救。因此在羌人心目中，范仲淹享有很高威信，他们亲切地称他“龙图老子”（范仲淹当时的职衔是龙图直学士）。范仲淹还把选拔将校、训练士兵作为一个中心内容。为此在作战之余，他让部下努力地学习古今兵法，对勇敢善战的狄青，不但给予优厚的待遇，而且送给他一部《左氏春秋》，并告诉他：“大将不知古今，不过是匹夫之勇罢了。”从此狄青刻苦读书，对于秦汉以来的将帅兵术他了如指掌，最终成为北宋屡立战功的名将。
在战术上，范仲淹也尽量革除旧弊。原有的作战方式是：部署官带领10000人，钤辖带领5000人，都监带领3000人，出战时官小者在前。范仲淹认为：这种不考虑敌方人马数量按官职大小顺序而出战的方式极其呆板、机械，于是革除了这种迂腐的作战方式，而根据敌兵多少决定出击人数。这种战术机动灵活，非常有利于打击敌人。西夏将士害怕起来，相互警告：“不要再攻延州了，现在的小范老子腹中有数千万兵甲，不比大范老子（范雍）可欺也。”范仲淹还提出了总的战略方针：对付西夏大股军队要坚壁清野、固守以待援兵；对付小股进犯的夏军则可主动出击。他请求朝廷要给将帅以“便宜从事”的权力，使其随时能够根据战况的变化而及时采取相应的战术，从而不致于贻误战机。
大量军队长期固守在西北边远之地，需要从内地远程运来大批粮草及物品，旅途艰难，耗费了大量的民力和财力，这已成为历来防守战略面临的最大问题。范仲淹吸取汉、唐兴屯田的历史经验，奏请仁宗在边塞屯田。仁宗同意了他的建议，诏令陕西四路部署及转运使并兼营田使，转运判官兼管勾营田事。
由于范仲淹在西北推行正确的战略方针和一系列有力措施，使得边防日益巩固。加上他与另一主将韩琦的空前团结，元昊不敢侵犯。西北边境流传着一首歌谣：“军中有一韩，西贼闻之心胆寒。军中有一范，西贼闻之惊破胆。”范仲淹与韩琦名声大振，史称“名重一时，人心归之，朝廷倚以为重”。
庆历改革推行新政
庆历初年，宋夏战争连绵不断，且宋军屡战屡败，农民起义如山雨欲来而政府束手无策。激烈的民族矛盾和阶级矛盾交织在一起，使宋朝的政治危机和经济危机日益加剧，改革已成为势在必行之事，也正是在这个内外交困的情境下，范仲淹被推上了历史舞台。
庆历三年四月，在西夏战事还没有完全结束的时候，统帅范仲淹、韩琦就被双双召回朝廷担任枢密副使。不久，谏官欧阳修、余靖、蔡襄等人奏称范仲淹有宰相之才，弹劾参知政事王举正懦弱无能，并请求用范仲淹取代王举正。七月，范仲淹被任命为参知政事。按照当时的官制，参知政事相当于副宰相，地位仅次宰相，亦属是宰辅之臣。
范仲淹入相时，对于改革而言，政治形势还是相当宽松的，韩琦、富弼为枢密副使，欧阳修、蔡襄、余靖、王素为谏官，他们都是改革的支持者与推动者，是革新的主力军。枢密使杜衍是革新派的同情者，宰相章得象和另一参知政事贾昌朝迫于形势也表示赞成改革。特别是仁宗，他对改革寄予厚望，希望能够通过改革摆脱困境，不仅解决目前的内忧外患的局面，更望达到富国强兵的目的。仁宗数次向范仲淹询问改革事宜，命令为范仲淹开放天章阁的大量档案以供参考，并召开中书和枢密院大臣会议商讨大政方针。
庆历三年九月范仲淹向仁宗进呈《答手诏惫陈十事》。范仲淹提出的十事包括：一、明黜陟。改革磨勘制度，以政绩作为决定官员升降的标准；二、抑侥幸。限制官宦子弟凭借祖辈的功德而得到官衔的权力，取消高级官吏在乾元节（皇帝生日）享受升迁的旧例；三、精贡举。改变教学内容和考试方法，选拔具有优秀品德和治国能力的人才。四、选择地方长官。由上级逐层推荐下级主管官吏的人选，最终根据推荐者的多少确定；五、均公田。按照级别给地方官分配职田，官吏的生活水平提高了，自然能够抑制贪污腐败之风；六、厚农桑。督导地方官加强农田水利建设，大力发展农业生产；七、修武备。实行府兵法，招募全国各地的壮丁协助正规军维持治安。规定府兵一年务农和训练的时间为三比一；八、推恩信。各级官吏必须严格执行皇帝的赦令，对违令者严惩不贷；九、重命令。朝廷颁布法律法规要慎重，各级官吏执法时必须要严肃；十、减徭役。合并户口少的州县，裁汰冗员，以减轻人民的赋税和徭役负担。
皇帝此时正信任和器重范仲淹，十事除府兵法外，其余各项都在庆历三年十月至庆历四年五月间，先后以诏书的形式颁行全国。范仲淹的“十事疏”，切中时弊时地揭露出了大宋王朝内部存在的各种重大问题，同时又提出了一些行之有效的救治措施，是庆历新政的纲领。在此前后，富弼、韩琦也上书陈述当世急务，成为“十事疏”的补充。举国上下都期望新政能够改变国困民穷的面貌，范仲淹也把营造太平盛世作为自己的使命，为推行新政呕心沥血。
然而，庆历新政，对权贵官僚的种种特权做了严格限制，因而触犯了他们的利益，所以，一开始就遭到他们的反对。随着改革的深入开展，革新派遇到的阻力越来越大。保守派为了保护自身的权益，不择手段地制造政治流言，对革新派人物进行诬陷，以达到彻底打倒革新派的目的。曾经附和新政的宰相章得象，公然支持部分反动的谏官攻击范仲淹等人结党擅权。随后，由于革新而被罢黜的保守派官僚前枢密使夏竦，竟伪造了一封他人给富弼的亲笔信，然后，再根据信中的内容诬告革新派有妄图废立皇帝的野心。谋逆之罪，非同小可，虽然仁宗本人对此没有什么反应，但革新派却开始觉得改革将难以顺利推行下去。这时，西北边防又有急报。庆历四年六月，范仲淹以防秋为名请求巡边，被任命为陕西、河东宣抚使。他离开朝廷后，保守派对新政的攻击更加猛烈。庆历五年年初，他正式被解除参知政事的职务，担任陕西四路安抚使邠兼州知州。同时，在这段时间，革新派的代表人物富弼、韩琦等被排挤出朝廷，忠于职守的按察使以“苛察”的罪名遭到贬斥，就连同情改革的文士苏舜钦、刘巽等人也被驱逐出京。革新派从中央到地方被一网打尽，持续了不到两年的改革之风在顽强的保守派面前，再也没有了开始之时的强劲势头，越吹越小，直至停息。
高风亮节后人景仰
范仲淹，以天下为己任，忧国忧民，将个人荣辱置之度外，是一个有远大抱负和高尚情操的政治家。他的传世之作《岳阳楼记》中“不以物喜，不以己悲”、“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”，正是他一生为人、为官的真实写照，以及面对风风雨雨的人生磨难所持有的人生态度。范仲淹居官清廉，不贪富贵。正如他在自己的诗中写的那样：“身甘一枝巢”，“富贵非我望”。甚至到了晚年还没有一所像样的宅第。他61岁知杭州时，其子弟要为他在洛阳建一所住宅，作为养老之所，范仲淹极力反对。对于自己的生活，他非常地节俭。而见到周围人有困难，他却当即解囊相助。他在家乡苏州还办了一个“义庄”，用来赡养和救济本族人。他身居相位，饮食非常简朴。妻子儿女的衣食也只求温饱，不务奢华。他对子女也管教极严。
范仲淹待人亲切，又举贤任能，当时许多贤士如孙物、胡瑗、石介、李觏都是由他推荐而成名立业的。由于他乐善好施，博爱众人，所以，就连街巷里的普通百姓也能说出他的名字。宋人钱公辅说范仲淹是一位“忠义满朝廷，事业满边隅，功名满天下”的杰出人物。
皇佑四年（1052）正月，范仲淹徙知颖州，在赴任途中因病在徐州逝世，终年64岁。听到他死讯的人无不悲伤叹息。甚至连羌族百姓，也聚众举哀痛哭，斋戒三天。仁宗悲伤不已，亲笔为他的墓碑撰额，称为“褒贤之碑”。
