虽然范仲淹是一代文士，但他从小就喜欢谈论军事。宋朝时，西北党项族对宋朝时附时反。当该族首领袁昊掌权时，他不再愿意屈服于大宋王朝。宋仁宗康定元年(1040)，元昊起兵造反。范仲淹再次被召入朝，恢复了他以前担任的天章阁待制。如果只是天章阁待制，那就是闲官。事实上，这次召范仲淹朝，就是要用他的军事才能对付袁昊，所以同时让他兼知永州军，后来又改为陕西都转运使。得知延州(今陕西延安)关防失守，他自告奋勇守边，宋仁宗委他为户部郎中兼知延州。范仲淹没到任前，这个地方根据官阶高低决定带兵人数，如总管领兵1万，千辖领兵5000，都监领兵3000。敌人来犯，官小人先带兵迎敌，至于这个迎敌的将军是否胜任，那就不管了。针对这种不合理的情况，范仲淹明确指出，选择迎敌的将军不考虑自己的能力，只根据官职大小安排出兵顺序，这也是打败战争的原因。到任后，他将州兵集中起来，共有1800人，再分为6人，每位将领带兵训练3000人。
敌人来犯，则根据入侵敌人的多少派兵迎敌。第二年正月，皇帝下令范仲淹主动出击。范仲淹没有盲从，而是根据延州的实际情况提出了正确的对策。范仲淹向皇帝报告说，正月是塞外非常寒冷的时候，大雪茫茫。这时，我们的军队很难隐藏，也很容易暴露。春暖花开的时候，敌人马瘦人饿了，我们出兵很容易赢。他进一步提出了建议:福州(今陕西富县)、西夏附近的延州，是羌人的必由之路。我希望他能暂时保持冷静，让他用善良和信仰来抚慰他。如果他贸然动兵，与羌人建立的交流可能会被切断，那么这个地方的稳定将是遥远的。他建议可以先攻占绥、宥等地，占领关键地位，屯兵营地，这样茶山、横山等地的人就会帮老携幼归附。宋仁宗听取了他的建议。果然，当地羌、汉各族人民都安定下来了。
范仲淹为将军，号令明白，奖惩分明，爱抚士卒。边境有警察，他和当时的枢密副使富碧一起领兵御敌。皇帝奖励他的黄金。范仲淹没有把这笔财富当作自己的财富，而是把所有的财富都给了和他一起出去的士兵。
在军事上，范仲淹与另一位文人军事家韩琦同名，时称“韩范”。但在与敌对的比赛中，范仲淹能够审时度势，根据实际情况决定用兵策略。有一次他和韩琦一起领兵到前线，韩琦决定立即分兵五路进攻，范仲淹驻守庆州城，认为不应立即进攻。当时，秦州通判兼经略判官尹洙奉韩琦之命，到庆州约范仲淹一起出兵。范仲淹对尹洙说:我军刚打败仗，怎么能带兵深入？从敌我双方现在的真相来看，如果立即开战，我军只会战败，所以，现在不是和敌人作战的时候了。尹洙听了，叹了口气:你不如韩公。韩公说:用兵应该除了胜负之外。现在看来你做事太谨慎了，这就是你不如韩公的地方。范仲淹回答说:军队一动，就关系到千万人的生命。如果除了胜负，我真的不知道怎么能这样打仗。尹洙说范仲淹不动，只好回去交差。韩琦不听范仲淹的建议，率兵出击，结果被元昊伏击，全师陷没，将军任福战死。当韩琦带领残兵败将返回时，有成千上万的父亲、兄弟和儿子阻止了韩琦在马前哭泣。这些人拿着死者穿过的衣服，烧着冥币哭道：你跟着招讨使出征，现在招讨使回来了，你却不幸战死。如果你的灵魂知道路，你能跟着招惹回来吗？哭声震天动地。韩琦也悲痛流泪，难以行进。范仲淹得知长叹了口气:这个时候，很难把胜负置之外！
范仲淹主管泰州、延州、泾州、庆州，毗邻西北少数民族。因为他治理得当，人民可以安居乐业，所以深受这些地方人民的喜爱。尤其是羌人，非常尊敬他。因为范仲淹是龙图阁学士的行政长官，羌人称他为“龙图老子”。