1031年，李元昊袭承西夏王位。元昊将各个部落组成军事组织，下令党项人恢复鲜卑族旧姓，在三天内一律秃发，耳挂重环。他重订西夏的礼乐制度和官制，创制西夏文字，升兴州为兴庆府（银川）。1034年，元昊改年号为开运，废除宋朝的年号。
西夏军向东攻占宋朝的府州、环州、庆州，向西攻打吐蕃的青唐（西宁），吞并回鹘的肃州、瓜州、沙州，使西夏成为两万多里的大国。
1038年，元昊称帝，建国大夏，撕毁与北宋的和约。第二年正月，他要求宋朝承认大夏。宋仁宗于六月削除元昊的赐姓和官爵，宣布谁能捕杀元昊，即接任定难军节度使。十一月，元昊率兵攻打保安军，宋夏之战开始了。当时，范仲淹正在越州，宋仁宗命他改任陕西都转运使。这时，被贬的吕夷简又被召回朝廷，复任宰相。由于大敌当前，吕夷简尽弃前嫌，提拔范仲淹为龙图阁直学士。
开国以来，宋朝推行"守内虚外"的错误政策，武备不修，军政腐败，将官不懂军事，士兵不懂战阵，兵器腐烂不堪。1040年正月，由于范雍等文官不懂军事乱指挥，再加上宋仁宗派监军的太监横加干涉，在三川口之战中，宋军大将刘平、石元孙被擒，万余宋军死于非命，延州城差点失守。
宋仁宗连忙调动军马粮草增援陕西，任命夏竦为陕西经略安抚使，韩琦、范仲淹为副使。范仲淹主动请缨，驻守延州，兼任延州知州。根据朝廷制度：州总管领兵万人，钤辖领兵五千人，都监领兵三千人，作战时，由都监先出击。结果，由于各自为战，被敌军杀得惨败。
范仲淹赴任后，立即把延州兵一万八千人分为六队，每队三千人，由六个将领率领，严加训练。作战时，范仲淹调兵遣将，根据敌军的数量精心部署兵力。结果，延州防务越来越稳固了。
狄青作战勇敢，所向披靡。范仲淹授予他《左氏春秋》，对他说："不学习，匹夫之勇。"狄青苦读兵法，后来成为智勇双全的名将，为大宋立下许多战功，升至枢密使。
范仲淹在延州东北二百里的宽州，修建青涧城，在那里兴营田，招商贾，并派人知青涧城，使其成为堡垒。
在用兵上，韩琦主张以攻为主；范仲淹主张以守为主。韩琦是著名的军事统帅，宋仁宗往往采纳韩琦的计策，结果经常战败。
1040年，在韩琦的主张下，宋仁宗集结大军。范仲淹为了孤立元昊，经常招纳少数民族，使其归顺大宋。当时，元昊施用反间计，放归俘获的宋军将领高延德，与范仲淹商讨议和事宜。范仲淹见元昊没有上表章，知道元昊没有诚意，于是写信劝元昊投降。
1041年春，仁宗下令出征。范仲淹上奏道："正月起兵，塞外雨雪大寒，士卒马匹必然暴露僵仆，使西夏人有机可乘。我们应等春暖时出征，那时西夏马瘦人饥，还可扰乱西夏人耕种！"宋仁宗完全采纳。
二月，宋仁宗再次下令讨伐西夏。韩琦派大将任福率一万八千人攻入西夏，准备截断攻打渭州的西夏军的退路。任福率军到达好水川时，中了埋伏，任福、桑怿等人战死，宋军一万余人被杀。韩琦率军撤退，哀恸之声惊天动地。
由于宋军在好水川惨败，元昊写给范仲淹的回信十分傲慢，语多不逊，范仲淹将其焚毁，暗录副本上奏朝廷。元昊的答书送到朝廷后，大臣们议论纷纷，都认为范仲淹不应与元昊通信，不该将元昊的答书焚毁。参知政事宋绶上奏宋仁宗，要求斩范仲淹。
经吕夷简、杜衍等人相救，范仲淹被贬为户部员外郎、知耀州，后来徙知庆州。
不久，宋仁宗罢免了夏竦的元帅职务，由韩琦、王沿、范仲淹、庞籍分别担任秦凤、泾原、环庆、延路的主帅。
范仲淹担任环庆路主帅后发现，环庆路诸羌有六百多个酋长，他们都归顺元昊。范仲淹以诏书犒赏诸羌酋长，检阅其兵马，与之立约。诸羌皆受命，为大宋所用，使元昊失去了重要的力量。
1042年闰9月，元昊大举进攻镇戍军，王沿派大将葛怀敏率军御敌，在定川遭到包围，葛怀敏等将大多战死，九千多名宋军被俘。元昊进攻渭州，大肆抢掠。关中震恐，百姓逃入山谷。范仲淹领兵六千，自庆州奔赴定川，元昊率军撤退。
仁宗大喜，下诏提升范仲淹为枢密直学士、右谏议大夫。范仲淹拒不接受，宋仁宗强行拜之。
定川战役后，宋仁宗罢免王沿泾原主帅之职，派韩琦、范仲淹和庞籍分管陕西防务，防线终于巩固下来。当时流传着谚语："军中有一范，西夏闻之心胆颤；军中有一韩，西夏闻之心胆寒。"
自1043年起，元昊开始试探与宋朝重新议和。1044年，宋与西夏重新议和：宋朝每年赐给西夏银七万两，绢十五万匹，茶三万斤；宋朝重开沿边榷场，准许两国民间贸易往来。