宋朝西北前线经过防线调整，秦凤、环庆、鄜延三路军政长官韩琦、范仲淹、庞籍都是一时人才，泾原路成为薄弱环节。泾原路主帅王沿，不通晓边防军务，无识人之才。而且，泾原路沿线一马平川，“略无险阻”，易攻难守。元昊敏锐地捕捉到战机，再度发动战争。庆历二年（1042）闰九月，西夏十万大军分兵两路南侵，王沿派遣副都部署葛怀敏率兵出战。葛怀敏刚愎自用，不通军事，对此范仲淹等早有警告，连王沿的儿子王豫，也认为“怀敏非将才”，劝告父亲换帅，王沿都置之不理。葛怀敏重蹈宋军骄横轻敌的覆辙，再度中元昊诱敌深入的计谋，在定川砦（今宁夏固原县中和乡）陷入西夏军队的重围。敌军断绝上流水源，举火攻城。葛怀敏只得率军突围，行军二里被长壕阻断，宋军自相践踏，死伤无数，最终多数宋军被围歼。这一战，史称“定川砦之战”，葛怀敏等16员将领战死，宋军被俘9400余人。西夏军队长驱直入，兵抵渭州城下。沿途六、七百里地，被烧杀抢掠，几成废墟。
范仲淹听说元昊南侵消息后，主动派兵六千驰援。西夏军队同时遭到沿途宋朝守军的极力抗击，疲惫困顿，最终无功而返。仁宗最相信的还是范仲淹，接到定川战报，仁宗对着地图说：“如果范仲淹出兵增援，我就没有忧虑了。”等接到前线最新奏报，范仲淹果然主动出兵，仁宗大喜。当时韩琦和庞籍也各有协同作战的出兵和军事部署，仁宗急于给范仲淹等三人加职进官。庆历二年（1042）十月，范仲淹和韩琦一起升任枢密直学士、右谏议大夫，庞籍为左谏议大夫。范仲淹有《让枢密直学士右谏议大夫表》，坚决推辞。范仲淹说自己在西北前线效力三年，依然没有为国家解除边塞忧患，前线依然是“边略未固，兵力未强，威令不扬，战斗多覆，因循已甚，平定无期”。此次定川败战，因为“救援不早，臣方痛心疾首，日夜悲忧，发变成丝，血化为泪”。前线败战，自己也要负一定责任，怎么可以获得升迁奖赏？在辞让表里，范仲淹提供了自己对问题的观察立场和处理方式。范仲淹认为：定川败绩，朝廷应该“震恐”，自我检讨，向国人谢罪。具体的说，皇帝应该下罪己诏，谢罪于“皇天后土、五岳四渎”，以达到“下感人心，上答天戒”的效果。二府宰辅大臣也要“小损勋爵”，表示“逊谢”和惩处。自己等前线指挥官，更应该负起主要责任，贬官降职，戴罪立功。“以谢边陲，以警将佐，以励军旅。”西北前线连年损兵折将，死伤数十万，不见朝廷和边帅谢罪，反而只看到“爵赏颁行”。范仲淹认为会让国人疑惑，以为朝廷高枕无忧，有负天下百姓。范仲淹这封辞让表，不是作泛泛的表面文章。在推辞加职进官的同时，批评皇帝和二府大臣处置失当，不知警觉和忧患。仁宗和朝廷一番美意，范仲淹则是当头一盘冷水，触逆龙鳞。在专制独裁社会，如此不知趣、不凑趣的言行，很容易招惹“龙颜大怒”，后果不堪设想。好在仁宗此时完全依赖范仲淹等人，对范仲淹又有极大的好感。所以，置范仲淹的推辞不顾，坚持给他们加职进官。
“定川砦之战”后，西北战事更加依赖范仲淹和韩琦。范仲淹建议朝廷：自己与韩琦共同经略泾原，一起驻扎在泾州，韩琦兼管秦凤路，自己兼管环庆路。如果泾原有警，自己与韩琦可以合秦凤、环庆之兵，“犄角而进”；如果秦凤、环庆有警，二人可以率泾原部队应援。同时可以派兵修复环州、镇戎诸城寨，贯彻步步紧逼战略方针。自己则与韩琦“日夜计议，选练兵将，渐复横山，以断贼臂。不数年间，可期平定”。秦州可以交给文彦博，庆州可以交给滕宗谅，渭州只需要一位武将。（详见《长编》卷一三八）朝廷完全接受范仲淹的军事部署，庆历二年（1042）十一月，朝廷调遣文彦博知秦州、滕宗谅知庆州、张亢知渭州，同时重新设置陕西四路都部署、经略安抚兼缘边招讨使，由范仲淹、韩琦、庞籍出任。让范仲淹和韩琦在泾州开府，共同经略泾原，范仲淹积极防御的思想在西北前线得到全面的贯彻落实。这可见范仲淹在西北前线各路主帅中的特殊位置和特别作用。十二月，朝廷罢免诸路招讨使和副使的称号，用以突出范仲淹等四路招讨使的特殊地位。此后，朝廷对待范仲淹基本上是言听计从。范仲淹和韩琦齐心协力，共同构筑了西北相对稳固的防线，西夏军队很少能够捕捉到入侵的战机。西北军情，渐趋稳定。西北前线百姓因此编出了这样的歌谣：“军中有一韩，西贼闻之心胆寒；军中有一范，西贼闻之惊破胆。”
西夏国小民穷，历年战争给本国人民带来深重灾难。虽然与北宋的战争中，西夏多次取得胜利，但是，西夏并没有因为战争占据多少宋朝的土地，没有获得太多的实际利益。相反，西夏有限的兵力和物力都被不断消耗在战场上，国力日益困顿。北宋的经济制裁也使西夏的国家经济逐渐陷入困境，西夏国内“饮无茶，衣帛贵”，百姓怨言增多。议和也成为西夏谋取进一步发展的最好出路。几次战争期间，元昊派人与宋朝议和，也都是有一定诚意的。只是双方议和条件相去甚远，无法达成一致意见。宋朝边防稳固之后，西夏求和之心变得迫切。庆历三年（1043）以来，双方信史往返频繁，相互磋商议和条件，观点渐渐靠拢。
范仲淹一直积极主张议和，但是，当朝廷与西夏议和紧锣密鼓进行的时候，范仲淹又与韩琦共同上疏朝廷，提醒议和注意事项，提出议和应该把握的尺度，反对匆忙议和。奏疏中提醒说：西夏可能有两种议和态度，朝廷应该应对得策。其一，西夏态度狂傲无礼，要求与宋朝分庭抗礼、平起平坐，此有“不可许者三”。不可以让西夏得到正式承认以后，名正言顺招纳四方豪士，势力坐大，终成宋朝心腹大患。其二，西夏态度卑躬，退步相让，“亦有大可防者三”。要警惕这是西夏的缓兵之计，麻痹宋军，以求再度大举入侵。所以，宋朝一方面要继续加紧备战，另一方面与西夏从容议和，待摸清西夏底细、有了合理条约之后，双方再签订和议。奏疏中，甚至对西夏议和使臣可能提出的一些要求，都帮助朝廷草拟具体应答方案，思虑周详。由于连年战争，宋朝牺牲无数，疲惫不堪，朝廷中主张立即议和者甚多。匆忙议和，自乱阵脚，也是对范仲淹等多年守边成绩的否定，范韩二人奏疏主要对此而发。朝廷听从范、韩建议，放慢议和步骤，庆历四年五月，元昊才降低和谈条件，向宋朝称臣。以后的谈判比较顺利，范仲淹、富弼等二府大臣都转变态度，敦促朝廷早日与西夏签订和议。富弼说：“近见元昊所上誓书及表奏，辞礼恭顺，一遵朝廷所约，只是榷场上微有商量。”富弼提醒朝廷不能因为对方的恭顺就节外生枝，提出更多以往约定以外的要求。范仲淹认为“用兵久之，必生他变，而为社稷之忧”。建议朝廷做出退让，放弃已经被西夏占领的塞门等疆土，立即签署和议。这样就可以“退移兵马，减省粮草，苏我生民，勤我稼穑，选将练士，使国富民强，以待四夷之变”（均见《长编》卷一五一）。庆历四年十月，元昊向宋朝进誓表，宋朝也赐誓诏给元昊，表示要世代友好，宋、夏双方最终达成和平协议。协议规定：元昊削去帝号，向北宋称臣，宋朝册封元昊为夏国主；双方恢复贸易，但不开放盐禁；宋朝赐西夏“岁币”绢十三万匹、银五万两、茶二万斤，其他节日和元昊生日再赐银二万两、银器二千两、绢帛等二万三千匹、茶一万斤，共计二十五万五千。
范仲淹守边期间，还留下一首《渔家傲》，脍炙人口。词说：
塞下秋来风景异，衡阳雁去无留意。
四面边声连角起。千嶂里，长烟落日孤城闭。
浊酒一杯家万里，燕然未勒归无计。
羌管悠悠霜满地。人不寐，将军白发征夫泪。
词中反映了边塞生活的艰苦和词人巩固边防的决心和意愿，同时还表现出外患未除、功业未建、久戍边地、士兵思乡等复杂矛盾的心情。上片写边地风光，以边地的景象之荒凉烘托守边之艰辛。首句通过一个“异”字领起全篇，点出“塞下”地域性特征，为思乡怀归之情埋下伏笔。“衡阳雁去”是“塞下秋来”的客观现实，“无留意”也是北雁南飞的季节性自然规律，然而，词人却已经将守边将士思乡怀归的愁绪寄寓其中。雁归而人不得归，其情何以堪！在这些有着浓郁思乡情绪的将士们眼中，周围塞外之景色也就失去了宽广的气魄、欢愉的气氛，听到的是凄凉的边声四起，牧马悲吟；看到的是千山耸立，孤城紧闭，荒僻萧条之景象历历在目，画面上笼罩着一种旷远雄浑、苍凉悲壮的气氛。上片以写景为主，人物的主观情绪隐含其中。下片转而直接写将士厌战思归的心情。“浊酒一杯”，无法排遣思乡的愁苦；“燕然未勒”，归家更是遥遥无期。在白霜满地与“羌管悠悠”声中，将军与士兵都难以入眠，在边塞熬白黑发、滴尽思乡泪，却又不能抛开国事不顾。就是在这样的悲苦声中结束了全文。范仲淹虽然守边颇见成效，然而，北宋长期“积弱”、“积贫”，不是一两个人能扭转如此大局的。当时在北宋与西夏的军事力量对比上，北宋处于下风，只能保持守势。范仲淹守边的全部功绩都体现在“能够维持住守势”这样一个局面上，时而还有疲于奔命之感。这对有远大政治志向的范仲淹来说肯定是不能满足的，但又是十分无奈的。所以，体现在词中的格调就不会是昂扬慷慨的，与唐人边塞诗“万里不惜死，一朝得成功”（高适《塞下曲》）的豪迈气概与乐观精神迥然有别。