宋神宗的战略计划是“先西后北”，先解决西夏，然后再出兵北伐，夺回燕云十六州。于是，宋神宗任命王韶发起“熙河之役”，斩断西夏的右臂，这个目标很快就达成了。此后，宋神宗将注意力转移到了西夏身上。1081年，西夏发生内乱，西夏皇帝李秉常被梁太后囚禁，鄜延总管种谔上书，认为这是一个千载难逢的好机会。
宋神宗也非常高兴，他认为可以利用这个机会，一举灭掉西夏。为此，宋神宗调集重兵，兵分五路，李宪部出熙河路，种谔部出鄜延路，高遵裕部出环庆路，刘昌祚部出泾原路，王中正部出河东路，五路大军兵力在40万以上，此外还有数十万役夫。交战支持，宋军一度取得胜利，先后工区数座城池。
然后西夏的梁太后听取老将的意见，“坚壁清野，纵其深入，聚劲兵于灵、夏而遣轻骑抄绝其馈运，大兵无食，可不战而困也”。结果宋军顿兵坚城之下，粮道又被断绝，加上冬天到来，结果损失惨重，最终五路大军被迫撤退。这一战宋军将士损失二十多万，此外还损失了同等数量的役夫。
损失虽然惨重，但宋神宗并没有灰心。1082年4月，李宪再度上书要求讨伐西夏，宋神宗非常支持，与此同时，沈括提议在横山筑城，作为进攻西夏的前沿阵地。经过一番调查考证后，宋军开始在夏、银、宥三州界筑城，取名永乐城。西夏方面闻讯后，视永乐城如芒刺在背，于是派兵围攻。
西夏梁太后亲自出征，倾全国之兵力，号称三十万人，来攻打永乐城。宋军也不示弱，双方在永乐城爆发了一场大战。然而永乐城在修建时存在一个致命的问题，缺乏水源，“城中乏水已数日，凿井不得泉，渴死者大半”。战斗持续到九月二十日，永乐城被攻破，“死者将校数百人，士卒、役夫二十余万”。
当永乐城陷落得消息传到开封时，已经是半夜时分，宋神宗失眠了，“起环榻行，彻旦不寐”，甚至临朝痛哭。经过这两场战争，北宋官军、蕃兵、义保死者达六十万人左右，“钱、粟、银、绢以万数者不可胜计”。王安石变法的努力几乎付诸流水，而宋神宗的身心也遭到了沉重打击，宋神宗明白自己再也无法为祖宗雪耻。
据史书记载，宋神宗此后“亦厌兵事，无意西伐矣”。不过西夏也因战事而疲惫不堪，无力发起攻击，双方于是又恢复了和平。1085年，郁郁不得志的宋神宗病死，时年37岁，他贵为天子，胸怀大志，却最终也无法实现。