尽管各种史料记载范仲淹先祖是邠州人，后徙居苏州，但范仲淹本人却生于徐州，在山东省邹平县长山朱文翰家生活了18年，后又进入南京(今天河南商丘市)书院度过了5年的读书生活，1015年考中进士进入仕途，宦海几经沉浮直到1040年。可以说在宋夏战争未爆发前的51年里，范仲淹和邠州没有任何联系。
宋夏战争爆发后，朝廷采纳了韩琦的建议，决定恢复范仲淹天章阁待制，把他从风景秀丽的越州(今天绍兴市)知州的任上调到陕西前线。朝廷先是任命范仲淹知永兴(今西安)军事，未至永兴，改陕西都转运使。后又受为龙图阁直学士，改任陕西经略安抚副使，管理都部署司事。在此之前，1040年正月，西夏元昊集中10万兵力发起了三川口(今天陕西延川、宜川、洛川三条河流的交汇处)战役，宋军大败。仁宗撤换了镇守延州的败军之将范雍。8月，范仲淹主动请缨兼管延州军政事务，来到了西北最前线。上任后，他改革了边塞统兵弊端，主持修筑了青涧城，修复了承平、永平等废弃的营寨。实行屯垦营田，使辖区内的羌人回归本业者达数万户。对缺乏粮食没有牛具的羌人官府就给予借贷。通过这些积极的防御措施的实施，鄜延路以后再也没有发生大的战事。连西夏人都相互劝诫说：“不要再打延州的主意，如今的小范老子(西夏人对知州的称呼)胸中有数万甲兵”。
1041年正月，朝廷采纳了韩琦的进攻策略，便下达了鄜延路与泾原路共同出师的日期。范仲淹上疏陈述正月出师的不利因素，请求先修复城寨、选择将领、训练军队，以此牵制元昊东界的军马，准许保留鄜延路将来留作招降收纳元昊用，仁宗表示同意。与此同时，范仲淹和元昊派来议和的使臣有过接触，写下了《答元昊书》。二月，元昊发起了对宋的战争，他亲率10万大军直奔韩琦统率驻扎于渭州(今甘肃平凉)的泾原路主力，宋军将领任福等轻敌冒进，在好水川陷入西夏军队的包围，死亡7万人，任福以下几十名将校全部战死。宋廷震惊。仁宗撤去了夏竦的职务，贬韩琦为渭州知州。范仲淹也因私自与元昊互通书信被降为户部员外郎，转调知耀州事。仅五十天后，范仲淹又被调任为知庆州事兼管环庆路部署司事务。到环州上任后，获准巡视边境，采取了一系列稳定羌族人的措施。同年十月，朝廷将陕西沿边分为四路，正式任命范仲淹负责环庆路军事防务，兼任本路马步军都部署、经略安抚沿边招讨使，治所在庆州。十一月，范仲淹向朝廷上奏攻守两个方案。当时环庆路下辖环州、庆州、宁州、邠州共4州26寨。
1042年正月，范巡视边防至环州，奏请为蕃官讹乞补官，管设蕃官并与之订立约束。举荐调种世衡任环州知州以镇抚羌人。同月，范仲淹到邠州挑选训练新兵。一日与韩琦、藤子京等设宴观摩将士们射箭，以银碟为矢的，射中者用银碟作为奖赏。在邠州期间，范仲淹还遇上了一件民告官的纠纷。据邠州住户王昭玮等陈告，官府修建营房占却住户土地，拆除了他们的屋舍，请求折合价钱给予赔偿。范仲淹实地查问得知邠州绕城附近并无空闲土地拨还住户，于是委托定平(今属甘肃宁县)知县李仲昌选择土地卖到王昭玮等合支的价钱，同时下发文书给邠州，要求按照有关条款逐人发给赔偿金后了结此事。后来据邠州方面陈报，参照陕西转运司的文书，修营房侵占住户地基，停止令兑换系官府空闲土地拨还，反而收缴了已支的价钱到军资库奉送。范仲淹严肃地指出：“各州修造营房，从来只是寻找官地，不允许毁坏住户现有的田宅屋舍等物产。难道邠州随便将住户现有的田宅屋舍等物产拆毁，驱赶住户使其无处安身。既然没有官地兑换，就应该返还价钱买屋，承担修营的衙门要支付钱物。那些住户承担房屋破坏费用，即使以转运司指挥令为准，现在用空闲官地兑还，既然没有官地，就应立即报告转运司，怎么能随便进行催缴已支价钱，侵害住户的利益呢?”于是捉拿到邠州原来掌管典当事务的王益等人，经审问后判决杖打一百棍遣发。对该案件所涉及的住户土地价钱复文邠州依条例支付。这是范仲淹路过邠州保护老百姓利益，维护群众私有财产纠正官府错误的典型案件。
还有一件事，拒绝担任邠州观察使。同年四月，仁宗下召令范仲淹为邠州观察使，同时以文职转武职的还有韩琦、王沿、庞籍等三人，薪俸由45缗升为200缗。范连上三表陈奏：“臣防守边界数年，羌人颇亲爱臣，称呼臣为龙图老子，西夏人将知州称为“老子”。如今改为观察使，与诸族首领的名号相混淆，恐怕要被贼人所轻视;而且我没有战功，不应再增加厚禄。”言辞恳切，朝廷同意。5月21日，恢复范仲淹、庞籍的龙图阁直学士。
1042年闰9月9日，范仲淹从庆州巡检司获悉元昊带领八万人马奔往镇戎军葛怀敏部，于是发文书派遣宁州通判张去惑暂往邠州镇守北门，计算检查城防战具及安排百姓家事。叮咛张去惑，如果西夏兵大规模入侵边界，就立即把乡村的住户迁入邠州城中。假如居民因柴草少，不愿入城，就让官府筹划，拣损秆草支借。23日，泾原副都部署葛怀敏与元昊在定川寨交战大败。西夏军队一路抢掠至潘原(今宁夏固原)，关中震惊，百姓大多逃窜到山中躲藏。范仲淹率环庆路6000人马，从邠州出发经长武前去援救，到达泾州受到藤子京组织起来的军民欢迎，这时元昊已撤出塞外。1042年11月12日，再次设置陕西四路都部署、经略安抚沿边招讨使，命令韩琦、范仲淹、庞籍分领此职。范与韩共同治理泾原地区，在泾州设置官署办事。文彦博掌秦凤路军政，滕宗谅代替范掌环庆路军政。12月，西夏军队又到原州抢掠，范仲淹谍告原州知州景泰等率领本路军马与镇戎军(今宁夏固原)会合，出奇兵伏击西夏军队，收救逃难人民。他连忙又赶到邠州派人到永兴军诸州贴榜，告知战争形势，安定民众之心。十二月初三日，待一切安排就绪后，立即与都监张肇率领兵马从邠州出发，取长武前往泾州策应。这是范仲淹担任环庆路统帅期间，因军事目的两次来邠州。
由于范仲淹在西北前线的出色表现，1043年8月被任命为参知政事，直接主持了以十项改革为内容的“庆历新政”。改革虽然有仁宗的支持，却遭到了腐朽官僚的反对，阻力重重。1044年11月12日，范仲淹上表请求罢免参知政事的职务，改任知邠州事，没有得到仁宗的批准。历史进入了1045年，新年刚过，正月28日朝廷任命范仲淹以资政殿学士兼陕西四路沿边安抚使(负责陕西沿边四路军政事务的官员)的身份担任邠州知州。短短一年多的庆历改革宣告失败了。范仲淹到邠后，向仁宗皇帝写了《谢授邠州表》、《邠州谢上表》，以示谢恩。
他上任仅三天，就去拜谒夫子庙了解邠州建学情况。当他看到邠州的州学规模太狭小，读书人几乎无所安身时，他立即作出改建州学的决策，新址选在州府的东南角。任命兵马监押刘保、节度推官杨承用共同负责此项工程。经过一年的建设，宽敞宏伟的新州学建成了。邠州的太常博士王稷便给调任河南邓州的范仲淹去信告知，“请为之记”。范仲淹便欣然提笔写下了教育史上著名的《邠州建学记》。
范仲淹镇守邠州时，一日闲暇之余，带领属下官员登上城楼准备举行酒宴，还没有举起酒杯，看见数十个穿着孝服的人正在筹办装殓之物。他马上派人去询问，原来是客居在外的读书人死在了邠州，将要埋葬在近郊。当时连入殓的衣服、棺材都没有准备好。范仲淹听后很伤感，立即撤掉了酒席，重重地救济了他们，让他们能完成装殓这件事。在座的客人因此而感叹，甚至有感动地流下眼泪的人。
范仲淹担任知州期间，尽管西夏侵扰战事频仍，在春夏农忙季节，他深入田间地头勉励老百姓积极生产。有一首题写在眉寿堂的《劝农诗》很著名，《邠州志》和《庆阳志》先后都收录，唯独《范仲淹全集》没有录入。这首诗写道：
烹葵剥枣古年丰，莫管时殊俗自同;
太守劝农农勉听，从今再愿咏豳风。
《范正公集逸文》卷有一篇51字的《眉寿堂记》。全文曰：“公刘以农开国，豳风葵枣之化流浃至今。凿井耕田，野无惰农，岁有高廪。为此春酒，以介眉寿。斯民熙熙然跻和气之域，因以名堂。”范仲淹一生克已奉公，为政清廉。由于他一心报国为民，在他生前邠州的老百姓为他画像修建祠堂，他死后老百姓把他当作神灵一样供奉，邠州历任官府派专人看管他的祠堂，每年到春秋两季拨出专款举行祭祀仪式，来缅怀他的功绩。新任知州到邠州总是先祭拜范公祠，以他为榜样。明代人重修的范公祠内的范仲淹塑像，一直保护到民国初年。
长期的边地生活，损害了范仲淹的健康，他身患肺咳、痔疮