范仲淹雖爲一代文士，卻從小就喜歡談論軍事。宋朝時，西北党項族對宋是時附時反。到了該族首領元昊掌權時，他就不再甘心臣服於大宋王朝了。宋仁宗康定元年(1040)，元昊起兵造反。范仲淹再次被召入朝，恢復了他以前擔任過的天章閣待制。若僅只是天章閣待制，那麼這是個閒官。事實上，這次召范仲淹入朝，就是要利用他的軍事才能對付元昊，因此同時讓他兼知永州軍，後來又改任陝西都轉運使。他得知延州(今陝西延安)一帶關防失守，便自告奮勇去守邊，宋仁宗就委他爲戶部郎中兼知延州。范仲淹未到任前，此地按官階高低決定帶兵之多少，如總管領兵一萬，鈐轄領兵五千，都監領兵三千。敵人來犯則官小者先帶兵迎敵，至於這迎敵的將官是否勝任，那是不管的。針對這不合理的情況，范仲淹明確地指出：選擇迎敵的將領不考慮他們的本事，只按官職大小來排定出兵的先後，這就是打敗仗的原因。他到任後，將州兵集中起來，共得一萬八千人，再一分爲六，每位將領帶兵三千加以訓練。
敵人來犯，則根據進犯之敵的多少派兵迎敵。第二年的正月間，皇帝下詔要范仲淹主動出擊，范仲淹沒有盲從，而是依據延州的現實情況，提出了正確的應對之策。范仲淹向皇帝報告說：正月間正是塞外十分寒冷的時候，大雪茫茫，此時出兵，我們的軍隊難以隱蔽，容易暴露。等到春暖之時，這個時候敵人馬瘦人飢，我們出兵容易取勝。他進一步獻策道：鄜州(今陝西富縣)、延州靠近西夏，是羌人必由之路。希望能暫時按兵不動，讓他以恩信對之招撫，若貿然動兵，已和羌人建立的交往可能會斷絕，那麼，這一片地方的安定就會遙遙無期了。他建議可先攻取綏、宥等地，佔據要害之處，屯兵營田，如此，茶山、橫山等地的老百姓就會扶老攜幼來歸附了。宋仁宗聽取了他的這些建議。果然，當地羌、漢各族百姓都安定下來了。
范仲淹爲將，號令明白，賞罰分明，愛撫士卒。邊境有警，他和時任樞密副使的富弼一道領兵禦敵。皇上賞其黃金百兩。范仲淹並沒有將這筆財富佔爲己有，而是全部分給了隨他出徵的將士。
在軍事上，范仲淹與另一文人軍事家韓琦齊名，時稱“韓範”。但在與敵對陣時，范仲淹能審時度勢，根據實際情況決定用兵策略。一次他和韓琦一道領兵到了前線，韓琦決定立即分兵五路進攻，范仲淹駐守慶州城，認爲不應立即進攻。那時任秦州通判兼經略判官的尹洙奉韓琦之命，到慶州來約范仲淹一道出兵。范仲淹對尹洙說：我軍剛打了敗仗，怎麼能率兵深入呢?以現在敵我雙方的實情來看，若立即開戰，我軍只會戰敗，因此，現在不是和敵人作戰的時候。尹洙聽了，嘆惜道：您不及韓公啊。韓公說：用兵應當將勝負置之度外。現在看來您處事過於謹慎，這就是您不及韓公的地方啊。范仲淹回答說：大軍一動，就關係着千萬人的生命，若置勝負於度外，我實在不知道怎麼能如此打仗。尹洙說不動范仲淹，只得回去交差。韓琦不聽范仲淹的建議，率兵出擊，結果遭到元昊的伏擊，全師陷沒，大將任福戰死。韓琦領着殘兵敗將返回時，那些攔在韓琦馬前號啕大哭的陣亡將士的父兄妻兒，就有幾千人之多。這些人拿着陣亡者穿過的衣服，燒着冥幣哭道：你們跟隨招討使出徵，如今招討使回來了，你們卻不幸戰死了。你們的魂魄若認識路，能跟着招討使回來嗎?痛哭之聲震天動地。韓琦也悲痛流淚難以行進。范仲淹得知長嘆道：這種時候，是很難將勝負置之度外的啊!
范仲淹主政過邠州、延州、涇州和慶州四地，這些地方與西北少數民族比鄰。因他治理有方，百姓們能安居樂業，因此，他深受這些地方百姓的愛戴。特別是羌人，對他非常尊敬。由於范仲淹是以龍圖閣學士身份出任這些地方的行政長官的，羌人便尊稱他爲“龍圖老子”。
