韩琦、范仲淹虽然遭降职处分，但这仅仅是朝廷姿态性的一种做法，朝廷依然将西北前线的军务托付给韩琦、范仲淹。朝廷不但没有理会范仲淹“乞小郡”养病的请求，反而再度委以重任。庆历元年（1041）五月，即范仲淹降职后的第二个月，就接到朝廷最新任命：知庆州（今甘肃庆阳）、兼管勾环庆路部署司事，成为环庆路最高行政和军事长官。同年九月，范仲淹复官，为户部郎中。同年十月，朝廷将西北防线重新划分为秦凤、泾原、环庆、鄜延四路，分别以韩琦、王沿、范仲淹、庞籍负责四路军务，重新在西北组织起新的防线，范仲淹依旧负责环庆路。为了统一军政指挥权，同年十二月，朝廷诏令取消其他诸路都部署、副部署所带的经略使、诏讨使名号，一致归并四路诏讨使司节制。朝廷并且授予韩琦、范仲淹便宜处事的权限，凡军情紧急不及奏报者，允许韩琦和范仲淹随机处理。
范仲淹这时在西北前线已经将近二年时间，从主管鄜延路到主管环庆路，范仲淹对敌我双方形势有了更为深入细致的了解。这一年的十一月，范仲淹写成《攻守二议》奏疏，托梁适带回朝廷，对自己积极防御的战略思想有更为详尽的阐述，而且也有了一些新的调整。范仲淹认为：两军交战，或攻或守，必须选择合适的时机，采取合适的步骤。范仲淹首先从攻守两端总结以往宋军屡屡战败的原因。从进攻的角度来说，以往分兵进攻，则兵力分散。而且，大漠风沙，时时使人迷失方向；后勤补给累赘，时刻担心被抢掠。西夏集中兵力进攻宋朝一路，朝廷就会命令其他各路出兵增援，牵制敌军，这也是一种进攻。但是，宋朝将帅往往“茫然轻进”，不知如何有效地打击敌人，只是选择西夏兵力空虚的地方抢掠一番，虚报军功。既无法提升军队士气，又不能牵制敌方力量。从防御的角度来说，以往做法是敌军来犯就抵御，敌军撤退也不追赶。守边的士兵不是当地百姓，日久思乡，士气不振。又没有营田等措施，需要从远方输送军粮，国家经济负担日益加重。
针对以往攻守二策的失当，范仲淹提出自己攻守战略战术思想。范仲淹的进攻策略，依然是步步为营、进逼西夏。作为环庆路军事长官，范仲淹主张进攻金汤、白豹、后桥三寨，打通庆州与延州的联系路线。攻克三寨后，留宋军守卫，作为前沿军事要地。敌军大举进攻，就坚壁清野，固守待援；敌军小股来犯，就依据险要地势设伏，就地歼灭。范仲淹要求攻取一处城寨之后，再计划攻取下一处城寨，稳扎稳打。范仲淹这次奏疏不同以往的是：有非常具体落实的战局部署和战术安排。出动多少军队，各路如何配合，每支军队将领的名字，奏疏中都有详细的说明。如，范仲淹提出：这次进攻应该出动步兵三万、骑兵五千，其中鄜延路步兵一万二千、骑兵三千，泾原路步兵九千、骑兵一千，环庆路步兵骑兵共一万，此外再调配少数民族军队七八千人。范仲淹这时候对西北各路军情已经了如指掌。关于守策，范仲淹着重讨论屯田法，解决边塞战争的粮草补给问题，使宋军获得持久作战的能力。范仲淹举种世衡在清涧城屯田的成功经验，提出：招募当地人参军，免除士兵远戍之苦；有规模地推行营田制，田租收入供给军队粮食。无战争时，当地士兵可以参加营田劳作，与父母妻儿团聚；一旦战争爆发，他们又可以迅速投入战斗。范仲淹归纳守策说：“假土兵、弓手之力，以置屯田为守之利也。”（《长编》卷一三四）
朝廷非常笼统地回答范仲淹这次奏疏，指示说：对军队勤加训练，严密守卫边塞，向远处派遣侦察兵，见到有利可图就进攻，知道敌军准备挑衅就随机而动。这样的指示，大意上似乎是接受了范仲淹的建议。然而，对范仲淹积极防御过程中主动采取的进攻步骤及其各路军队调配的建议，朝廷并没有明确意见。范仲淹立即再次上疏，重申攻取金汤、白豹之寨的重要性。同时进一步建议：驻兵合水、花池六寨，组织新的防线；进兵葫芦泉，切断敌军之北路，置周边明珠等部落于宋军羽翼之下；进修水洛城，打通秦州、渭州通道。范仲淹更加注重双方的议和进程，提议朝廷继续派遣使臣与西夏“往复议论”，数年时间，终究会有和平结果的。范仲淹极力主张给西夏一些“岁币”，换取永久和平，就如同宋朝与契丹所订立的合约一样。范仲淹说：我以前在越州任职时，一州的税收有三十余万。现在每年送西夏三十余万，就是“费一郡之入，而息天下之弊”（《长编》卷一三五）。范仲淹在守边过程中，不断改进、完善自己积极防御的战略战术安排，努力将战争主动权掌握在自己手中。以“岁币”换和平的主张，是从北宋现实情况出发的务实的长远的观念，已经被历史证明是合理正确的。
范仲淹到任庆州，迅速团结周边诸羌部落。这些部落原来或明或暗都是依附西夏的，有的甚至与西夏暗中约定，西夏大军来到之后他们就作为当地的向导。范仲淹主持环庆路后，巡视各部落，检阅他们的部队，给予必要的犒赏，与他们订立盟约，明确赏罚制度。从此以后，诸羌部落为宋朝所用，削弱了西夏力量。诸少数民族部落依附宋朝，有送儿子到宋军当人质的规定。范仲淹对这些作为人质居住在宋军中的人员，没有任何看管，他们可以随意出入宋军军营，也没有一人逃跑。少数民族部落首领来拜见范仲淹，范仲淹撤去警卫人员，让对方居住在自己身边，毫不怀疑对方。这些坦诚真挚的行为，感动了周边各部落民族，他们真诚地接受范仲淹的领导。范仲淹并且调和边疆各少数民族部落之间的相互仇杀，让他们和睦相处，环庆路局势越来越稳定。范仲淹又为各寨划拨官地，要士兵抽空种植蔬菜等，多余蔬菜拿去贸易，买卖所得钱财充作军队费用。范仲淹到邠州视察新兵排练的时候，接到当地百姓王昭玮等人的诉状，状告官府修建营房时占用了他们的土地园林、拆了他们的房屋，要求折价补偿。范仲淹立即要求邠州官府给这些百姓合适的赔偿，而且免除这些百姓的赋税。事后，范仲淹说：“虽然已经将空闲的官地还给百姓，这件事还是要追究。如果没有官地修建营房，应该向上级报告，怎么能违背条贯，擅自侵害百姓？”需要为此事负责的官员王益等都受到了惩处。换句话说，前线军务紧急，地方事务都围绕着军务展开，同时需要保障当地百姓的合法利益，这是范仲淹做官的原则。守卫边塞就是为了保护百姓，如果宋军随意侵害边地百姓利益，范仲淹等守边的价值又何在？勤政爱民的范仲淹当然会严厉处置类似事件。
庆州西北方向的军事要塞马铺寨，深入西夏境内。占领此地，可以将庆州防线向前推进，阻断白豹、金汤诸寨，形成庆州周边的牢固防线。庆历二年（1042）三月，范仲淹秘密派遣儿子范纯祐和部将赵明率军抢占此地。部队出发时，随身携带筑城工具，将领们都不知道此行的目的。到达目的地后，才宣布命令，在此地修筑新城。开始修城，西夏小股部队即来骚扰，将士人心浮动，要求停止工程。范仲淹再派遣张去惑前来说服将士，要求他们昼夜开工。于是，上下一心，部队在十日之间就快速修筑起新的城寨，命名为大顺城。西夏立即出动三万多大军前来争夺此城，且采取佯败引诱宋军入包围圈的习惯作战方式。范仲淹早就预见到军情的具体发展过程，命令范纯祐和赵明不许追赶西夏军队过河。宋军采取积极防御的策略，敌军无计可施，只得放弃对大顺城的进攻骚扰，庆州沿边此后就少有双方的攻防拉锯战。范仲淹又招募当地百姓轮流守卫大顺城，平日在家耕种土地，随军训练。战时，官家提供兵甲器具。而且，土兵耕种的土地也由官家给予，一人八十亩；如果土兵自己准备战马的，官家再多给土地四十亩。随后，范仲淹亲自到大顺城视察，返程中作诗一首：“三月二十七，羌山始见花。将军了边事，春老未还家。”因庆州防线已经布置完成，范仲淹心情轻松欢快。诗人在欣赏边地春天初开的花朵，显示出一份闲暇和从容。
对边防城寨的守或弃，范仲淹是有所选择的。范仲淹认为：那些只驻守二三百人的小寨，分散军力；寨内没有水井，不宜固守。如果不从实际出发，命令部队坚守，只能枉送军民性命，自挫军威，对边防大局没有利益。范仲淹对环庆路的二十三寨做了甄别，许多小寨只能派遣百余位士兵把守道路，如果敌军入侵，命令这些士兵迅速回归大部队。灵活主动的守边策略，能发挥积极的作用。
范仲淹对士兵的具体困难，也关切备至。当时有庆州籍的士兵在泾原路服役，泾原籍的士兵在庆州服役，范仲淹要求朝廷将这些士兵“拨归本路使唤，公私俱便”（《年谱补遗》）。因为与西夏作战屡屡失败，朝廷要求在士兵脸上刻字涂墨做记号，逼迫他们不得离开部队。当地百姓非常害怕，躲藏逃跑，不愿接受刺字。范仲淹下令改刺手臂，非战争时期多数时间都可以回家务农。等到与西夏战争结束之后，只有环庆路的士兵可以归家耕种，其他地方已经被脸上刺字的士兵只能永远留在军队。当地百姓由此也对范仲淹感激不尽。只有如此设身处地为将士着想，才能得军心、鼓士气，提高部队战斗力。范仲淹每到一地，总是能迅速整顿军队、调整防线、制定作战方案，保一方平安，其军事才干也令人赞叹不绝。
四月，朝廷为了奖赏范仲淹，命其为邠州观察使。其他三路文帅，同时有类似的任命。观察使是武官官阶，同样是虚衔，范仲淹实际差遣依然是环庆路最高军政长官。这次改职，朝廷可能还有“名正言顺”的考虑，既然在边塞率领大军，就改任武职。范仲淹三次上表朝廷，坚决推辞最新的任命，理由如下：第一，自己原来是“内朝近臣”，到边塞“节制诸将”，挟朝廷之声威。改任之后，“失朝廷之重势”。第二，作为内朝近臣，对朝廷诏令不当之处可以反复争辩、议论。现在改任“外帅”，就不可以对朝廷诏令再有所争辩，否则，日长月久，难免养成“将帅骄亢之祸”。所以，结果是“减议论之风采”。第三，到任边塞后，自己要求将士报效朝廷要“图实效”，不要“树虚声”，力矫以往虚报军功之弊。现在西夏军队依然猖獗，边塞形势日益严峻，自己却一年之中得到朝廷的三次恩宠奖赏。如此一来，自己有何脸面去严格要求将士，只可能“发将佐之怒”。第四，主帅应该与士兵同甘共苦。如今士兵时有饥渴，自己却得到朝廷的厚赏，只能是“鼓军旅之怨”。第五，自己原来的文臣贴职是“龙图阁直学士”，已经为边塞诸多民族所熟悉，或者有亲切呼其为“龙图老子”的。如果改为观察使，就与众多周边部落首领的名号混淆了，恐怕被敌人轻视。宋朝为了笼络周边少数民族，常常任命其首领为观察使，故范仲淹有此顾虑。奏表中范仲淹一再表明自己无私报效朝廷的心迹，如果“落近职而增厚禄”，就是一个“贪夫”，就完全违背范仲淹心愿了。范仲淹奏表同时为其他三路文帅争辩，要求朝廷收回这系列成命。五月，朝廷同意范仲淹的请求，恢复其原来的官职。范仲淹的坚决推辞，既可见其清廉无私，又与宋代重文轻武的特殊政治背景相关。
在北宋与西夏交战期间，东北边境的契丹也趁机勒索宋朝。契丹陈兵边境，做出进攻态势，要求与宋朝改签和约，以获取更大的利益。宋朝一方面要派遣使臣与契丹商谈和约，另一方面当然也要做一定的战备工作。范仲淹极力主张修建京城军事防御工程，以防备可能到来的契丹进攻。宰相吕夷简建议在大名府（今属河北）建都，做出皇帝亲政契丹的姿态，以强硬态度反击契丹。朝廷最终听从吕夷简的意见，改大名府为北京。范仲淹有长篇奏疏反对朝廷这个决策，从古今形势到军事地理，侃侃而论。最后，北宋与契丹的战争没有爆发，双方签订了新的和约。历史已经无法证明这这一具体事件上范仲淹正确与否，但是，范仲淹身处西北边陲，关心国家所有大事，竭力贡献自己的才能智慧，却在这一事件中再次得到展现。即使与契丹订立新的和约之后，范仲淹依然上疏，力陈重修京城军事防御工程的重要性。