宋军好水川大败，朝中支持范仲淹防守与议和策略的力量日益增强，但朝中反对议和之声仍很激烈。
西夏国于延州之战、好水川之战获胜后，气势更加嚣张，频频攻打掠夺宋朝西北边境州县，宋朝被迫完全采取守势。张元建议赵元昊出兵渭州，侍机攻打长安。赵元昊采纳了他的意见，又策划了定川寨之战。
庆历二年（1042），国相张元向赵元昊献计，宋朝的精兵良将全部都聚集在宋夏边境地区，而宋朝关中地区的军事力量却十分薄弱，如果西夏大军牵制宋朝边境地区的军队，使宋朝无暇顾及关中地区，然后即可派一支劲旅乘机直捣关中平原，攻占长安。
赵元昊采纳了张元的建议，派遣十万大军兵分两路大规模进攻宋朝。一路从刘燔堡出击，一路从彭阳城出发向渭州发动攻击。钳击镇戎军，企图诱宋军出击，聚而歼之。
九月初一，宋泾原路经略安抚招讨使王沿获知密报，西夏军来攻，命副使葛怀敏率军自渭州至瓦亭寨一线阻击。此时，赵元昊早已在定川寨布置好埋伏，烧断河上木桥，堵住宋军的突围必经之路。
初九，葛怀敏军到达瓦亭寨，与都监许思纯、环庆都监刘贺部合军，违令继续北进，进发五谷口。王沿急派特使持公函，警告葛怀敏不得冒进深入前线，命其背城为营，示弱诱敌，以逸待劳，设伏奇袭，攻其不备。
葛怀敏不听号令，指军镇戎军曹英、泾原路都监赵珣、两路都巡检李良臣、孟渊等部，集兵数万人，继续北进冒险突进。
二十日，宋军前进至镇戎军西南，宋将赵政认为距离西夏军已很近，不可再进。葛怀敏命令大军停止前进，诸将听说赵元昊移军新壕外，在镇戎军开军事会议，决定次日黎明前发动大规模袭击西夏军队。
赵珣以为夏军远来，利于速战速决，建议依马栏城布栅，扼其归路，固守镇戎，以保障粮道，待其兵疲而击。
葛怀敏不听建议，命诸将分兵四路趋定川寨。二十一日，沿边都巡检使向进、刘湛行至赵福新堡，遭遇西夏军截击，退守向家峡。赵元昊乘势挥军攻打新壕，向宋中军进逼。
九月二十一日，葛怀敏刚刚与赵珣、曹英等诸将于定川寨刚会合，突然，漫山遍野像潮水一样涌现出无数西夏兵马，拔栅逾壕，四面进攻。夏军又阻断定川水泉上流，截断了宋军的水源。
无奈，葛怀敏只得硬着头皮出寨，布下军阵迎战。夏军猛攻中军，宋军岿然不动。夏军掉头，又猛攻东北角的宋将曹英一军。
关键时刻，忽然吹起东北黑风，宋军迎风列阵，一时大乱，军阵遂溃，兵士皆掉头往定川寨里面狂逃，宋将曹英本人面中流箭，被射翻于城壕之中。
宋军象鸟兽散一样乱作一团，正在阵中指挥的葛怀敏也被溃兵挤下马，几乎被踩死，幸亏卫士拼力抬回寨中，才捡回一条老命。宋军逃回寨内，死守城门，杀掉不少西夏兵，形势才稍为稳定下来。
当晚，西夏兵在寨外四面举火，高呼“宋军投降！宋军投降！”葛怀敏、曹英等诸将久议不决，直至凌晨，葛怀敏才下令，准备结阵而出，向镇戎军方向突围。有宋将认为应该迂回行军，但葛怀敏执意要直接突围奔趋镇戎军而去。
二十二日黎明，以曹英、赵询为先锋，刘贺、许思纯为左右翼，李知和、王保、王文等殿后，结阵东进。临行，属下拦马再谏，请求转道而行，葛怀敏不听劝阻，继续策***南突围，驰行二里，这才发现长城壕桥已断，归路被阻。
西夏军乘宋军混乱之机，又断宋军后路，以逸待劳，从四面追杀过来，宋军终因寡不敌众，被西夏军十万大军重重包围，四面夹击，弹尽粮绝，葛怀敏与部将曹英，李知和、赵珣、王保、王文、刘贺等十六位将领拒不投降，全部阵亡，宋军九千余人几近全军覆灭，宋军大败。
赵元昊获胜后，挥师南下，连破数寨，直抵渭州，但该路军队遭到宋朝原州（今甘肃镇原）知州景泰的顽强阻击。
西夏军在攻打渭州时，同时进攻距渭州仅一百二十里的泾州城。知州滕子京与老友范仲淹再次通力合作，滕子京沉着应战，动员数千百姓共同守城；范仲淹率一万五千人驰援泾州后，滕子京又极力为军队供应柴粮，确保了战争所需的一切物资，终于将西夏军击退。
战争结束后，滕子京大设牛酒宴，犒劳羌族首领和士兵，又按当时边疆风俗，在佛寺里为在定川砦战争中死亡的士卒祭神祈祷，并抚恤死者亲属，收服边疆部族民心。
好水川和定川砦的接连惨败，终于使宋仁宗认识到实施范仲淹防御策略的重要意义，正是由于范仲淹的正确指挥，才在渭州一举扭转了战争局势，避免了局势的进一步恶化。这时，宋仁宗才真正觉得范仲淹是大宋不可多得的将帅之才，加封为枢密直学士、右谏议大夫，任鄜延路都部署、经略安抚招讨使。
十一月，仁宗采纳范仲淹建议，恢复设置陕西路安抚、经略、招讨使，让范仲淹、韩琦、庞籍分领职事。范仲淹与韩琦在泾州设置官第，将文彦博调到秦州做统帅，滕宗谅调到庆州做统帅，张亢担任渭州的统帅。
范仲淹认为，宋军人数虽多，但缺乏强将精兵，战斗力差；西夏军人数虽相对较少，但兵精马劲，战斗力强。他针对宋军这种软弱无力、边备废弛、武将无能、土兵散漫、很难克敌制胜的实际情况，认真加强练兵，采取各种办法提高宋军的战斗力。
同时大力改革军队的指挥机制，增强军队的战斗力。
根据宋朝的规定：守边之兵由将官分别率领，宋朝皇帝的诏旨中曾规定了各级将领统率军队的数目：部署统领士兵人数1万人，钤辖统领士兵人数五千人，都监统领士兵人数三千人（部署、钤辖、都监都是一省内统兵的军事长官）。
他们的品级有高低区分，但是指挥部队却又互相独立，没有上下级管辖的隶属关系，这就造成战争发生中下级不服从上级的调配，“虽有主将，不专号令”。
最典型的例子是宋夏三川口之战双方相持中，后军黄德和居然扬长而去，刘平派他儿子去后军也劝不回来，直接导致全军崩溃。
更挫伤士兵立功积极性的规定是，若遇敌侵犯，按官职的大小来决定出兵迎战的次序，官位低的军官就带军队先行出阵抵御，而在论功行赏时，官位高的军官又排在最前。
结果，导致很多兵士不愿为国效命，经常被敌人打得大败。对此，范仲淹深恶痛绝：“兵机险恶，量敌而行，尚且不能稳操胜算，将领的委派不按敌之多寡强弱的实际去考虑，而以官位的高低为出兵的次序用兵，焉有不败之理。”
于是，范仲淹改革军中论资排辈的弊端，淘汰一批怯懦无能的将校，将一批经过战火考验，有才干的人选拔为将官。他亲自挑选18000名优秀士兵，把他们统一编制分成6部，让每个将领统率3000人，亲自训练士卒、演习阵法，加强了官兵之间的联系，改变地方军队体系繁多、不相配属、“兵不识将，将不识兵”的积弊。
作战之时，不按以往职位高低先出的旧规战法出击，临战时根据来敌的军事力量强弱分布，少则轮流而战，多则全体出动。这样，既通过战斗练将，又通过实战练兵，大大提高边防军的战斗力。
范仲淹又积极召募善于骑射的当地百姓以补充军队。原来守边的大都是从内地调来的禁军，这批人既不耐劳苦，又因久思故乡，斗志不高，而从本地人民中召募士兵，熟悉山川道路，强悍敢战，又因保卫家乡，斗志较强，提高军队的素质和战斗力。
为了招募到更多的勇猛士兵，范仲淹同时改革了军队士兵标记和兵役期的做法。
宋朝有个残酷的制度，为了防止士兵逃跑，入伍前要在兵士的脸上刺字。脸上的制字是军士低贱的标记，士兵丧失了自尊心和自由，因而战斗力削弱。民间更以当兵为耻，遇到征兵便四处逃亡，兵源越来越少。
范仲淹大胆改刺面为刺手。战事过后，兵士可以恢复平民之身，兵士均感动不已。
同时，范仲淹又改兵士戍守3年期限为1年，改变了兵士长期不能回家，日久生怨的弊端。他还奏报朝廷，将兵士的家属迁徙到塞下，让他们同兵士一道垦荒务农，这不但使士兵获得更大的利益，而且使他们因顾全父母妻儿的安全而死心踏地守卫边疆。
范仲淹赏罚分明，奖励勇猛杀敌的士兵，提拔重用立功的将领，对克扣军饷的贪污分子则当众斩首，毫不留情，在官兵中树立起了崇高的威望。
范仲淹范仲淹下令在延州东北二百里的古宽州故址上筑了一座青涧城，建立了牢固的城防，在州城的附近广泛修筑城寨，招还延州一带的流亡边民，修边寨，兴营田，募商贾，通贸易，使当地人民各安其业，发展生产，重整家园。
同时将自己在延州的经验推广到西北各路，在宋夏边境的要冲之地修城筑砦，构建牢固的军事据点，并训练当地亦兵亦民的乡兵、蕃兵和弓箭手对付西夏军队的侵扰。
范仲淹深知良将的作用，在延州主持军事时，特别注意选拔将材。
行伍出身的狄青作战十分勇敢，临阵之时时常披头散发，头戴铜面具，在敌军中冲锋陷阵，所向披靡。范仲淹对狄青非常赏识，不仅给予他优厚的待遇。
得知狄青出身兵士，识字不多，于是赠予他《左氏春秋》，并劝他认真读书，说：“你现在是个将官了，做将官的如果不能博古通今，只靠个人的勇敢是不够的，充其量不过是匹夫之勇而已。”
这些寨堡互为声援，使延州固若泰山。西夏国王赵元昊从此不敢再下手，感慨道：“今小范老子（范仲淹）腹中有数万雄兵，不比大范老子（范雍）可欺也。”
范、韩两人同心协力，互相声援，人心归服，名重一时。当时边塞上到处流传这样的歌谣：
军中有一韩，西夏闻之心骨寒。
军中有一范，西夏闻之惊破胆。
与此同时，正如范仲淹所分析的那样，西夏境内由于长期用兵，物资奇缺，物价飞涨，百姓怨声载道，已无力发动大规模战争，迫使西夏国主赵元昊想与宋朝议和。
宋庆历三年（公元1043年），赵元昊主动提出与宋朝议和，史称“庆历和议”。
张元竭立反对议和，无奈赵元昊一心议和，力争不可，张元知道其理想再也无法实现，终日郁郁不乐，在西夏天授礼法延祚七年（1044年）病逝。吴昊最后也隐名埋姓，不知去向。
庆历四年（1044），宋夏达成协议：赵元昊以西夏国主的名义向宋朝称臣，宋朝每年给西夏绢13万匹，银5万两，茶2万斤；每年还要给西夏国节日与生日礼物银2万两，银器2000两，绢、帛、衣2.3万匹，茶1万斤；两国恢复贸易往来。
西北前线战事刚刚缓和，范仲淹被重新调入中央。这一年是庆历三年（1043），离上次范仲淹因为抨击宰相吕夷简而离开朝廷，已经整整七年了。