范仲淹担任饶州知州一年多后，被调任润州知州，不久又调任越州知州 。元昊反叛，范仲淹被召回京，担任天章阁待制、出知永兴军，后又改任陕西都转运使 。恰逢夏竦担任陕西经略安抚、招讨使，朝廷提升范仲淹为龙图阁直学士来担任夏竦的副手 。吕夷简再次担任宰相，仁宗劝告范仲淹解除与吕夷简以前的怨恨 。范仲淹叩头回答说“：我以前所议论的都是国家的公事，对吕夷简本人并没有怨恨 。”
延州周围各要塞大多失守，范仲淹主动请求前往延州，被升为户部郎中兼任延州知州 。以前，朝廷诏令规定将领分别统辖边境驻军：总管统辖万人，钤辖统辖五千人，都监统辖三千人 。遇到敌人侵略而要抵御时，官品低的将领需首先出击 。范仲淹说“：对战将不加以适当选择，而只以官品的高低来作为出阵的先后，这是自取失败的办法 。”于是他普遍检阅本州军队，得到一万八千人，并分为六部，每位将领各自统领三千人，分部训练士兵，根据敌军的多少，派遣他们轮流出战抵御敌军 。当时塞门、承平各要塞已被废弃，范仲淹采纳种世衡的计策，修筑青润城来扼杀敌军进犯的要冲，大兴农田水利，并且开放民间贸易，以便边民互通有无 。又因为老百姓远路输纳赋税过于劳苦，他上奏请求将城建成军事基地，让河中府同州、华州的中下户就近送缴税租 。每年春夏两季调集军队就地取得给养，可以节省买粮开支十分之三，这还不包括其他开支节省的费用 。仁宗诏命这支军队为康定军 。
第二年正月，仁宗皇帝诏命陕西各路讨伐西夏，范仲淹说：“正月塞外天气十分寒冷，我军露宿挨冻，不如等到春天深入敌境，敌军马瘦人饥，凭我军的势力容易制服敌军 。况且我军边防守备逐渐加强，出师纪律严明，敌军虽然猖獗，必然会被我军的气势所震服 。州、延州与灵州、夏州十分接近，而这是西羌的必经之地 。我军只要按兵不动，观察他们的破绽，请皇上允许我用恩惠和诚信来招纳他们归附 。否则的话，情义断绝，我担心要罢兵休战就会遥遥无期 。如果我的这个计策不能达到目的，也应当发兵先夺取绥州、宥州，占据险要之地，屯兵营田，作长久作战的打算，那么茶山、横山的老百姓，必然会带领全族前来归顺 。要开拓疆界抵御侵略，这是上等的策略 。”仁宗皇帝全部采纳了他的建议 。范仲淹又上奏请求朝廷修筑承平、永平等要塞，逐渐招回流亡在外的百姓，加固堡寨的屏障，使敌情侦察畅通，把十二座旧要塞改建为城，于是羌族和汉族流亡在外的百姓，都一个接一个地回来，重操旧业 。
过了较长的一段时间，元昊遣还被俘的宋将高延德，用他来与范仲淹约和，范仲淹写信告诫西夏罢兵 。当时恰好任福在好水川被西夏打败，于是元昊给范仲淹的回信语气很不恭敬，范仲淹当着来使的面烧掉了它 。朝中大臣认为不应擅自与西夏通信，又不应当擅自烧掉西夏来信，宋庠奏请处决范仲淹，仁宗皇帝没有同意 。而只是将范仲淹降为户部员外郎、耀州知州，调任庆州知州，后又升为左司郎中，任环庆路经略安抚，缘边招讨使 。当初，元昊叛乱时，暗中诱使归附宋朝的羌人帮助自己，而环庆路酋长六百多人，相约做元昊的向导，不久，事情就败露了 。范仲淹因为羌人反复无常，一到达辖区就奏请到边境巡视，他以皇帝诏命的名义犒赏羌族各部，检阅他们的人马，与他们订立条约：“假如仇恨已经和解或了断，又擅自进行报复并伤人的，罚羊一百只，马两匹，已杀死人的要斩首 。因负债而引起纠纷的，应当到官府理断，擅自扣押捆绑无辜者，罚羊五十只、马一匹 。西夏军马侵入边界时，集合时不随本族前往的，每户罚羊二只，扣押他们的首领 。敌军大举入侵时，老少自外而入保卫本寨的，官府给他们供给食粮；到时不入寨的人家，每家罚羊两只；全族不进寨的，扣押他们的首领 。”羌族各部都接受了这些条约，自此以后他们开始为宋朝效力 。
范仲淹改任州观察使，在上表书中说“：观察使位在待制之下，我守边多年，羌人很亲爱我，称我为‘龙图老子’，现在降官与王兴、朱观为伍，只恐怕被敌军轻蔑 。”他辞谢而没有接受这一任命 。庆州西北的马铺砦，正处在后桥川口，位于西夏腹地 。范仲淹想在此筑城，料想西夏军队一定会前来争夺，就暗中派遣他的儿子范纯佑和蕃将赵明首先占据这一地区，自己率领军队紧随其后 。众将领不知道到底要到达什么地方，走到柔远，范仲淹才开始发布筑城的号令，各种筑城工具都已准备好，十天就将城筑完毕，这就是大顺城 。敌军发现之后，派三万骑兵来攻打，并假装被宋军打败，范仲淹告诫将士们不要追击，后来知道敌军果然有埋伏 。大顺城建成后，白豹城、全汤城一带的敌军都不敢再度进犯，环庆路从此更少被敌人所侵犯了 。

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