仁宗康定元年（1040）三月，52岁的范仲淹复天章阁待制之职，知永兴军（今陕西西安），未到任即改任陕西都转运使，翻开了人生崭新的一页。三川口战役后，宋廷对中央政府和西北边防都做了重新调整和部署。中书和枢密院二府应对战败负最终领导责任，最高长官被集体罢免。西北主帅范雍被降职，另调韩琦等人主持前线防务。陕西安抚使韩琦上任后，立即向朝廷推荐大自己19岁的范仲淹。韩琦是范仲淹政治上的坚定盟友，对范仲淹的才干十分钦佩。不久前，韩琦就给仁宗提意见，认为现任中央领导班子太平庸，应该更换。韩琦那次推荐的副宰相人选中就有范仲淹。这次韩琦要求急调范仲淹来西北前线，与自己协同作战。仁宗对范仲淹的才干也是非常了解的，朝廷立即同意了韩琦的特别推荐。
都转运使掌管一路的财政大权，兼监察管辖区内各级官员。朝廷调遣范仲淹，最初是期望范仲淹负责西北军事战争的一切后勤财政工作。范仲淹接到任命后，调查前线形势，视野并不局限于后勤财政方面，从整局观念出发，五月迅即向朝廷提出应对西夏战争的战略方针。范仲淹分析说：沿边城寨经过最近系列战事，备战程度已经达到五七分，而关中依然十分空虚。如果元昊挥兵直捣关中，切断宋军的军事和财政支持，前线宋军处境就非常危险。范仲淹提出的对策是边城和关内一起备战，西路、北路、东路、中路各屯兵二三万，相互呼应。西夏军队来犯，便坚壁清野，固守城池，不与大战。两三年后，待宋军逐渐恢复军力、西夏疲于战争之际，再发动反攻。范仲淹特别反对当时急于求成的观点，部分大臣极力主张立即发五路大军，讨伐西夏。范仲淹说：如此轻举妄动，“无功而有患”。范仲淹战略整局观点核心是积极防御，伺机反攻。当时西北前线形势如下：西夏兵力、财力远远不能与北宋相比，但是，在同等兵力的情况下，西夏军队的作战能力远远超过宋军。所以，西夏只能集中兵力，引诱宋军出战，对宋军各个击破。范仲淹“积极防御”的策略，切合宋、夏双方的实际情况，是北宋当时在西北前线可以采用的最为恰当的战略措施。朝廷在攻守二策上没有最后决断，但是，在协同防御作战这一方面立即采纳了范仲淹的意见。范仲淹上疏当月，朝廷任命夏竦为陕西都部署兼经略安抚使、缘边招讨使，作为西北前线的主帅；任命韩琦和范仲淹为陕西经略安抚副使、同管勾都部署司事，作为夏竦的副手。韩琦负责泾原路防务（泾原路治所在渭州，即今甘肃平凉），范仲淹负责鄜延路防务（鄜延路治所在延州，即今延安），夏竦驻扎在永兴军（今西安市）。三人互为犄角，组建成西北前沿新的防线。同时，范仲淹加职为龙图阁直学士。就在这个月，仁宗重新启用吕夷简为宰相，加强中枢班子领导。吕夷简积极赞同仁宗重用范仲淹，并且建议说：“范仲淹是贤能之人，朝廷启用他，怎么可以仅仅恢复旧职？”仁宗非常高兴，要求范仲淹也需尽释前嫌。范仲淹回答说：“我以前提意见，是在讨论国家大事，与吕夷简个人没有矛盾，也不会对他抱恨在心。”范仲淹到前线后，频频写信给吕夷简，汇报情况，发表己见，两人之间有非常好的相互沟通和支持。北宋政治家的胸襟和风度，在吕夷简和范仲淹的交往中有令人钦佩的展现。
范仲淹临危授命，到达延州后，发现当地“戎马之后，原野萧条”，处处破败凄凉。此时，知延州张存不堪重任，以母老为理由，请求调回内地。范仲淹在国家危难之际，显示出他以天下为己任的博大心胸，主动要求兼知延州，朝廷欣然同意。鄜延路政权、军权、财权集中到范仲淹一人手中。
北宋派文臣作为军队的统帅，文臣多数不通军务，所以，一旦遭遇战争，这就成为北宋军队屡战屡败的原因之一。北宋文臣中也有个别才干过人、兼通军事的杰出人才，范仲淹就是一个典型事例。
首先，范仲淹对宋、夏双方的形势有非常切合实际的深入透彻的了解，做到了知己知彼。面对北宋社会“积贫积弱”和军队士气低落的现实局面，范仲淹提出了积极防御的应对策略。他反对宋廷妄自尊大，盲目地对西夏发动反攻战役。宋朝军队在数量上虽然要大大超过西夏军队，但是，缺乏“宿将精兵”，缺乏训练，军心涣散，战斗实力反而远远不如对方。而且，宋朝军队如果想讨伐西夏，还要长距离地穿越沙漠等荒凉地带，粮草军需供应都非常困难。有鉴于此，范仲淹反对深入西夏境内的攻击战，主张训练边塞军队，打一场持久的防御战。
其次，针对沿边军队编制和作战方式不合理、缺乏起码的军事训练等现状，范仲淹着手大规模的整顿和变革。宋朝军队官制有总管、钤辖、都监等级别，总管领兵一万人，钤辖领兵五千人，都监领兵三千人。一旦发生战争，逼迫官小的先领弱兵出战，级别高的将领率精兵在后面逗留不前。范仲淹说：“将不择人，以官为先后，取败之道也。”（《宋史·范仲淹传》）如果打战不根据具体需要选择将领，而只是以官阶的高低作为依据，当然是很荒谬的。范仲淹于是全面检阅延州军队，淘汰老弱军人，选取了一万八千名精兵，分作六队，每队各三千人，分派六位都监统率。对这些选择出来的精兵，又进行了严格的军事训练。范仲淹挑选十二位指挥使，分隶六将，负责军队训练工作。每一营挑选二十五名勇敢健壮的士兵，练习弓弩和短兵器的使用。熟练后，让他们担任教头，一教头负责十位士兵的训练工作。而且，让弓箭手学习短兵器的使用，提高士兵综合作战能力。同时，严肃军纪，处斩了数位克扣士兵粮饷的将官和虚报军功的将官，也将煽动闹事的士兵王羲等四人处死，给骄兵悍将一个深刻教训。如果有敌军入侵，就根据敌情的不同，六队轮番出战，相互照应。经过范仲淹的整顿训练，军队面貌一新，应变能力和作战能力大大提高。范仲淹这些做法，很快就在西北前线其他军事防区得以推广。
再次，范仲淹贯彻的是积极的防御战略，而不是被动地等待应战。因此，范仲淹派遣经过整顿训练的军队，在延州周边主动出战。范仲淹听取部将周美的意见，派周美率二千军队修复扼守延州要冲的金明寨、万安城，此地在延州城北三十里。城寨修复以后，周美以少胜多，多次抵御来犯的西夏军队。又派遣张亢修复丰林城等处，派遣朱吉等将领相机修复承平、南安两寨，派遣部将狄青、黄世宁等收复了芦子平、塞门寨等军事据点，延州的外围军事防线整体上得到加强。范仲淹又听取部将种世衡的建议，派遣种世衡率兵在离延州二百里的故垒上修筑城寨，取名为“青涧城”。种世衡一边作战，一边修建城寨。清涧城修成后，种世衡在范仲淹的诸多命令指导下，开拓荒田一千顷，招徕商人，地方生机很快恢复。种世衡又团结当地羌族，联合羌族军队抵御来犯之敌，清涧城成为延州的有力屏障。修建城寨过程中，役夫异常辛苦，边塞严寒，每天都有逃亡者。范仲淹特地请求为役夫每月增加“酱菜钱”等支出，改善役夫伙食，加速工程修建进度。范仲淹再派遣葛怀敏、朱观等率兵出击，攻破西夏垒寨十余处。变被动挨打为主动出击，变屡战屡败为初战告捷，延州前线的紧张危险形势得到了充分的缓解。
第四，范仲淹对相互策应作战下达具体指示，要求改变以往只是在西夏境外虚张声势的做法。当西夏侵犯宋朝一路守军的时候，另一路宋军出兵策应，必须深入西夏境内，进攻西夏的要害城寨，大批消灭西夏后方部队，真正起到“分张贼势”的军事作用。同时，范仲淹反对固定的用兵模式。枢密院曾经有这样的命令：遇到敌军入侵，各路部队要抢先占领险要地势，寻找机会进攻敌军。不得以防守为名拥兵不出，否则，军法处置。这条命令可以针对怯战、避战者，但却不能一概而论。范仲淹上奏疏说：“自古用兵无常势，不可以画一定制。许多城寨守军，多则千余人，少则五六百人、二三百人，守卫城寨兵力都不足。遇敌军入侵，守将有逞匹夫之勇的，见小利就出兵，与敌人争斗。西夏经常用老弱士兵引诱，然后用精兵断宋军后路，聚歼宋军。城寨没有了守卫的军队，随即也陷落。临敌作战，随机应变，不可以拘以条贯。请求废止这条命令。”
将在外，君命有所不受。范仲淹部署大小战役，都是自己积极主动思考的结果。冬天时枢密院曾经奉圣旨下札子询问范仲淹：“约遇、没兀二人率领七百余人驻扎在塞门寨，为什么不派遣军队消灭他们？”范仲淹回答说：“延州到塞门寨沿途都是没有人烟的荒凉地带，而且有水流弯曲的地方五十七处，涉水而过恐怕会冻伤将士手足。况且，塞门寨地势孤绝，即使得到了也难驻兵守卫。不如现在训练士兵，到春天回暖时再派遣军队讨伐，这样可以减少部队损耗。”如前所言，范仲淹最终收复了塞门寨。范仲淹又特别注意抚慰、奖励阵亡将士家属，以鼓舞军队斗志。自己也时常亲临前线视察，以了解前方敌情和属下军队的战斗状况，以及当地百姓生活、生产情况。如康定元年九月，范仲淹与转运使明镐一切巡边，沿途跋涉艰难，遇到雨天，山崖路滑危险，到处泥泞，范仲淹都无所畏惧。
第五，范仲淹善待俘获的少数民族首领，令其真心臣服。康定元年九月，宋将任福攻破白豹寨，活捉一位女首领李家妹，李家妹被罚入庆州官府做奴婢。范仲淹知道后认为：少数民族部落首领听到这个消息，一定会心生怨毒，对宋朝有更多仇恨，会设法与宋朝对抗。范仲淹立即派遣部将石斌等人去处理此事。石斌等询问得知，庆州淮安镇投诚过来的军士中有李家妹的亲叔，范仲淹即让石斌等送李家妹到她叔叔家，让她叔叔照看，选择好人家出嫁。李家妹骨肉团聚时，都感动流泪。这样的妥善处理，能够化解相当部分的民族矛盾。范仲淹在守卫边塞的系列战争中，发现了许多军事人才。例如，北宋名将狄青此时就在范仲淹属下，深得信赖，推许狄青将来能成国家栋梁之材。范仲淹于是送《左传》给狄青，特别嘱咐说：“熟读这部书，就可以对大事做出自己的判断。将帅不知道古今，只是匹夫之勇。”狄青此后发奋读书，学习古今军事理论，终成一代名将。此外，张亢、周美、种世衡等都是一代名将。范仲淹在西北前线举荐的文武人才，数不胜数，一时边疆人才济济。关于用人，范仲淹有自己的衡量标准，时人将其归纳为“多取气节，阔略细故”（《石林燕语》卷十）。就是注重人才道德修养等总体表现，而不在意他们是否有小缺点、小过失。范仲淹在西北前线往往从军情需要的角度出发，突破朝廷规定，启用因过错被降级或废置的有用之才。范仲淹说：“人有才能而又没有瑕疵的，当然要得到使用。但如果因他们有了过失，就不启用，那他们就成了废人。”另一方面，残暴者、贪婪者、无能者，纷纷被调离或免职，朝廷几乎对范仲淹言听计从，西北官场面貌焕然一新。得到范仲淹举荐的孙沔、田况、滕宗谅等官员，以后在守卫西北边塞的过程中都有突出的贡献。据说西夏人都有这样的说法：“无以延州为意，今小范老子腹中自有数万兵甲，不比大范老子可欺也。”（《长编》卷一二八）就是说：再也不能打延州的主意了，范仲淹胸中就有数万大军。大范，指范雍；小范，指范仲淹。可见西夏人对范仲淹的敬畏之心。
在民政治理方面，范仲淹采取诸多务实措施，恢复当地生产，尽量使百姓能够安居乐业。北宋与西夏战争爆发的初始阶段，朝廷将巨大的军费开支都摊派到边塞当地百姓头上，百姓不堪重负，大量逃亡，甚至有自杀以逃避沉重赋役的。范仲淹到任后，立即发布命令，罢除一切额外苛刻聚敛。对于关中百姓所承担的输送西北边塞的赋税粮草部分，范仲淹也设法予以方便，免除百姓运输困难。因为关中是西北前线的大后方，后方民力得以舒困，对源源不绝支持前线大有作用。范仲淹特别选中鄜城县，这里“南至同州、河中府各是四程，北至鄜州两程，至延州五程，物价稍贱”（《年谱补遗》）。地理位置合适，物价相对低廉。范仲淹奏报朝廷获得同意，将鄜城升格为军，在这里修建营房、仓库、住宅房屋，周边州军的赋税都送到此地。百姓输送赋税的路程缩短了一半。又，当地朱士成等八九百户人家为逃避秋税，举家逃亡。这种事情在延州下属郡县也普遍发生。范仲淹令当地官府逐乡逐村地落实登记，接管逃亡人家的土地、桑林，禁止官府像以往那样毁坏逃亡家庭产业、焚烧房屋的做法，设法招抚百姓归家生产，让朝廷重新获得税收。以往简单粗暴的处理手段，只能导致逃亡者再也不能回家复业。对于新收复或修建的城寨，范仲淹下令帮助流民回家复业，或招徕逃亡百姓耕种废弃田地，没有耕牛等农业用具的，官府贷款帮助购买。对居住在新收复或修建城寨的贫困饥寒的少数民族百姓，范仲淹令种世衡等人统计户口数目，每户人口十人以上，官府借贷粮食一石；十口以下，借贷五斗。一定要让他们安心居住生产，不能出现新的流亡现象。范仲淹又在许多城寨设置“榷场”，官府参与当地商业贸易活动，用布帛换取当地百姓的青盐。青盐运到庆州和环州之后，价格可以翻番。所获利润，用于军队日常支出，为军队筹集了相当的款项。