盡管各種史料記載范仲淹先祖是邠州人，后徙居蘇州，但范仲淹本人卻生于徐州，在山東省鄒平縣長山朱文翰家生活了18年，后又進入南京(今天河南商丘市)書院度過了5年的讀書生活，1015年考中進士進入仕途，宦海幾經沉浮直到1040年。可以說在宋夏戰爭未爆發前的51年里，范仲淹和邠州沒有任何聯系。

宋夏戰爭爆發后，朝廷采納了韓琦的建議，決定恢復范仲淹天章閣待制，把他從風景秀麗的越州(今天紹興市)知州的任上調到陜西前線。朝廷先是任命范仲淹知永興(今西安)軍事，未至永興，改陜西都轉運使。后又受為龍圖閣直學士，改任陜西經略安撫副使，管理都部署司事。在此之前，1040年正月，西夏元昊集中10萬兵力發起了三川口(今天陜西延川、宜川、洛川三條河流的交匯處)戰役，宋軍大敗。仁宗撤換了鎮守延州的敗軍之將范雍。8月，范仲淹主動請纓兼管延州軍政事務，來到了西北最前線。上任后，他改革了邊塞統兵弊端，主持修筑了青澗城，修復了承平、永平等廢棄的營寨。實行屯墾營田，使轄區內的羌人回歸本業者達數萬戶。對缺乏糧食沒有牛具的羌人官府就給予借貸。通過這些積極的防御措施的實施，鄜延路以后再也沒有發生大的戰事。連西夏人都相互勸誡說：“不要再打延州的主意，如今的小范老子(西夏人對知州的稱呼)胸中有數萬甲兵”。

1041年正月，朝廷采納了韓琦的進攻策略，便下達了鄜延路與涇原路共同出師的日期。范仲淹上疏陳述正月出師的不利因素，請求先修復城寨、選擇將領、訓練軍隊，以此牽制元昊東界的軍馬，準許保留鄜延路將來留作招降收納元昊用，仁宗表示同意。與此同時，范仲淹和元昊派來議和的使臣有過接觸，寫下了《答元昊書》。二月，元昊發起了對宋的戰爭，他親率10萬大軍直奔韓琦統率駐扎于渭州(今甘肅平涼)的涇原路主力，宋軍將領任福等輕敵冒進，在好水川陷入西夏軍隊的包圍，死亡7萬人，任福以下幾十名將校全部戰死。宋廷震驚。仁宗撤去了夏竦的職務，貶韓琦為渭州知州。范仲淹也因私自與元昊互通書信被降為戶部員外郎，轉調知耀州事。僅五十天后，范仲淹又被調任為知慶州事兼管環慶路部署司事務。到環州上任后，獲準巡視邊境，采取了一系列穩定羌族人的措施。同年十月，朝廷將陜西沿邊分為四路，正式任命范仲淹負責環慶路軍事防務，兼任本路馬步軍都部署、經略安撫沿邊招討使，治所在慶州。十一月，范仲淹向朝廷上奏攻守兩個方案。當時環慶路下轄環州、慶州、寧州、邠州共4州26寨。

1042年正月，范巡視邊防至環州，奏請為蕃官訛乞補官，管設蕃官并與之訂立約束。舉薦調種世衡任環州知州以鎮撫羌人。同月，范仲淹到邠州挑選訓練新兵。一日與韓琦、藤子京等設宴觀摩將士們射箭，以銀碟為矢的，射中者用銀碟作為獎賞。在邠州期間，范仲淹還遇上了一件民告官的糾紛。據邠州住戶王昭瑋等陳告，官府修建營房占卻住戶土地，拆除了他們的屋舍，請求折合價錢給予賠償。范仲淹實地查問得知邠州繞城附近并無空閑土地撥還住戶，于是委托定平(今屬甘肅寧縣)知縣李仲昌選擇土地賣到王昭瑋等合支的價錢，同時下發文書給邠州，要求按照有關條款逐人發給賠償金后了結此事。后來據邠州方面陳報，參照陜西轉運司的文書，修營房侵占住戶地基，停止令兌換系官府空閑土地撥還，反而收繳了已支的價錢到軍資庫奉送。范仲淹嚴肅地指出：“各州修造營房，從來只是尋找官地，不允許毀壞住戶現有的田宅屋舍等物產。難道邠州隨便將住戶現有的田宅屋舍等物產拆毀，驅趕住戶使其無處安身。既然沒有官地兌換，就應該返還價錢買屋，承擔修營的衙門要支付錢物。那些住戶承擔房屋破壞費用，即使以轉運司指揮令為準，現在用空閑官地兌還，既然沒有官地，就應立即報告轉運司，怎么能隨便進行催繳已支價錢，侵害住戶的利益呢？”于是捉拿到邠州原來掌管典當事務的王益等人，經審問后判決杖打一百棍遣發。對該案件所涉及的住戶土地價錢復文邠州依條例支付。這是范仲淹路過邠州保護老百姓利益，維護群眾私有財產糾正官府錯誤的典型案件。

還有一件事，拒絕擔任邠州觀察使。同年四月，仁宗下召令范仲淹為邠州觀察使，同時以文職轉武職的還有韓琦、王沿、龐籍等三人，薪俸由45緡升為200緡。范連上三表陳奏：“臣防守邊界數年，羌人頗親愛臣，稱呼臣為龍圖老子，西夏人將知州稱為“老子”。如今改為觀察使，與諸族首領的名號相混淆，恐怕要被賊人所輕視;而且我沒有戰功，不應再增加厚祿。”言辭懇切，朝廷同意。5月21日，恢復范仲淹、龐籍的龍圖閣直學士。

1042年閏9月9日，范仲淹從慶州巡檢司獲悉元昊帶領八萬人馬奔往鎮戎軍葛懷敏部，于是發文書派遣寧州通判張去惑暫往邠州鎮守北門，計算檢查城防戰具及安排百姓家事。叮嚀張去惑，如果西夏兵大規模入侵邊界，就立即把鄉村的住戶遷入邠州城中。假如居民因柴草少，不愿入城，就讓官府籌劃，揀損稈草支借。23日，涇原副都部署葛懷敏與元昊在定川寨交戰大敗。西夏軍隊一路搶掠至潘原(今寧夏固原)，關中震驚，百姓大多逃竄到山中躲藏。范仲淹率環慶路6000人馬，從邠州出發經長武前去援救，到達涇州受到藤子京組織起來的軍民歡迎，這時元昊已撤出塞外。1042年11月12日，再次設置陜西四路都部署、經略安撫沿邊招討使，命令韓琦、范仲淹、龐籍分領此職。范與韓共同治理涇原地區，在涇州設置官署辦事。文彥博掌秦鳳路軍政，滕宗諒代替范掌環慶路軍政。12月，西夏軍隊又到原州搶掠，范仲淹諜告原州知州景泰等率領本路軍馬與鎮戎軍(今寧夏固原)會合，出奇兵伏擊西夏軍隊，收救逃難人民。他連忙又趕到邠州派人到永興軍諸州貼榜，告知戰爭形勢，安定民眾之心。十二月初三日，待一切安排就緒后，立即與都監張肇率領兵馬從邠州出發，取長武前往涇州策應。這是范仲淹擔任環慶路統帥期間，因軍事目的兩次來邠州。

由于范仲淹在西北前線的出色表現，1043年8月被任命為參知政事，直接主持了以十項改革為內容的“慶歷新政”。改革雖然有仁宗的支持，卻遭到了腐朽官僚的反對，阻力重重。1044年11月12日，范仲淹上表請求罷免參知政事的職務，改任知邠州事，沒有得到仁宗的批準。歷史進入了1045年，新年剛過，正月28日朝廷任命范仲淹以資政殿學士兼陜西四路沿邊安撫使(負責陜西沿邊四路軍政事務的官員)的身份擔任邠州知州。短短一年多的慶歷改革宣告失敗了。范仲淹到邠后，向仁宗皇帝寫了《謝授邠州表》、《邠州謝上表》，以示謝恩。

他上任僅三天，就去拜謁夫子廟了解邠州建學情況。當他看到邠州的州學規模太狹小，讀書人幾乎無所安身時，他立即作出改建州學的決策，新址選在州府的東南角。任命兵馬監押劉保、節度推官楊承用共同負責此項工程。經過一年的建設，寬敞宏偉的新州學建成了。邠州的太常博士王稷便給調任河南鄧州的范仲淹去信告知，“請為之記”。范仲淹便欣然提筆寫下了教育史上著名的《邠州建學記》。

范仲淹鎮守邠州時，一日閑暇之余，帶領屬下官員登上城樓準備舉行酒宴，還沒有舉起酒杯，看見數十個穿著孝服的人正在籌辦裝殮之物。他馬上派人去詢問，原來是客居在外的讀書人死在了邠州，將要埋葬在近郊。當時連入殮的衣服、棺材都沒有準備好。范仲淹聽后很傷感，立即撤掉了酒席，重重地救濟了他們，讓他們能完成裝殮這件事。在座的客人因此而感嘆，甚至有感動地流下眼淚的人。

范仲淹擔任知州期間，盡管西夏侵擾戰事頻仍，在春夏農忙季節，他深入田間地頭勉勵老百姓積極生產。有一首題寫在眉壽堂的《勸農詩》很著名，《邠州志》和《慶陽志》先后都收錄，唯獨《范仲淹全集》沒有錄入。這首詩寫道：

烹葵剝棗古年豐，莫管時殊俗自同;

太守勸農農勉聽，從今再愿詠豳風。

《范正公集逸文》卷有一篇51字的《眉壽堂記》。全文曰：“公劉以農開國，豳風葵棗之化流浹至今。鑿井耕田，野無惰農，歲有高廩。為此春酒，以介眉壽。斯民熙熙然躋和氣之域，因以名堂。”范仲淹一生克已奉公，為政清廉。由于他一心報國為民，在他生前邠州的老百姓為他畫像修建祠堂，他死后老百姓把他當作神靈一樣供奉，邠州歷任官府派專人看管他的祠堂，每年到春秋兩季撥出專款舉行祭祀儀式，來緬懷他的功績。新任知州到邠州總是先祭拜范公祠，以他為榜樣。明代人重修的范公祠內的范仲淹塑像，一直保護到民國初年。

長期的邊地生活，損害了范仲淹的健康，他身患肺咳、痔瘡