范仲淹一到延州，便立刻全面检阅军务，改编军队，开展了严格的军事训练，并加强防御工事，在宋夏交战地带，构筑堡寨；对沿边少数民族居民，“号令明白，爱抚士卒，诸羌来者，推心接之不疑”，诚心团结，慷慨优惠，严明赏罚。他看到了宋朝军队的弱势，主张以守为主，认为“选兵练将，渐复横山，以断贼臂，（西夏）不数年间，可期平定”，事实证明，这个方案是完全正确可行的。他提拔和培育了一批有勇有谋的将领，如狄青、杨文广、种世衡、郭京、周美、雷宗简、姚嗣宗、马怀德、张信等人，训练出一批强悍敢战的军队，直到北宋末年，这支西北军队仍是宋朝的一支劲旅，在边塞屹立起一道坚固的屏障。

在戍守边塞的三年艰苦日子里，范仲淹格外思念千里之外的家人。另外两首流传千古的小词，大概就作于此期。

一首是抒写思乡之情、羁旅之思的《苏幕遮》：

“碧云天，黄叶地。秋色连波，波上寒烟翠。

山映斜阳天接水。芳草无情，更在斜阳外。

黯乡魂，追旅思。夜夜除非，好梦留人睡。

明月楼高休独倚。酒入愁肠，化作相思泪。”

这首词上阙描绘深秋景色，绚丽多彩，宛如中世纪的油画；下阙笔锋一转，将 乡思旅愁写得奇丽深切。全词低徊婉转，而又不失沉雄清刚之气，邹祗谟《远志斋词衷》：“范希文《苏幕遮》一调，前段多人丽语，后段纯写柔情，遂成绝唱。”

另一首是深情激越、缠绵奔放的《御街行》：

“纷纷堕叶飘香砌，夜寂静、寒声碎。

真珠帘卷玉楼空，天淡银河垂地。

年年今夜，月华如练，长是人千里。

愁肠已断无由醉，酒未到、先成泪。

残灯明灭枕头欹，谙尽孤眠滋味。

都来此事，眉间心上，无计相回避。”

“愁肠已断无由醉，酒未到、先成泪”，洋溢缕缕愁情，可谓情极之语，宛如缠绵入骨的相思小词，许昂霄说范仲淹是“铁石心肠人亦作消魂语”，真是“无情未必真豪杰”。

在范仲淹等人的苦心经营下，宋朝边境局势大为改观。宋夏边塞上受尽战乱的百姓，都渴望尽快停止战争、重建家园。双方议和的使节，也开始往返于兴庆府(今银川市)与汴粱之间。到庆历四年（1044年）双方正式达成和议，西北局势得以转危为安，范仲淹在边塞树立了极高的威望。后来，范仲淹去世之时，边塞百姓自发给他立祠供奉，羌人派出数百首领，象哭父亲一样的祭奠他。南宋朱熹在《名臣录》中说，西夏人敬畏范仲淹，相互告诫道, “小范老子（范仲淹）腹中有数万兵甲，不比大范老子（前任范雍）可欺”，书中还记录了一条流传在边塞的民谣：“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。”

由于宋夏战争，宋朝的军费开支急剧膨胀，国内矛盾加剧，小型暴动与骚乱纷然而起。庆历三年(1043)末，赵祯急于稳定政局，待战争一结束，就立刻将范仲淹调回朝廷，升他为参知政事，支持他搞改革。范仲淹提出十条建议以革新朝政，重在整顿吏治，限制公卿大臣的子侄荫官。但这些改革措施，触及了保守官僚势力的利益，这些人强烈不满，攻击他引用朋党，制造阴谋诡计，阻扰“庆历新政”进行下去。庆历五年(1045年)初，在反对派的大肆攻击下，参加“庆历新政”的富弼、欧阳修、膝宗谅等人，纷纷被贬职；范仲淹不得已急流勇退，自请罢相，出守邓州。