不久，朝廷任命范仲淹为州（今陕西彬县）观察使，范仲淹上奏说：“观察使班列待制之下，臣守边数年，羌人颇亲爱为臣，呼臣为‘龙图老子’，今退而为观察使，恐为其所轻，难以控制矣。”坚辞不受，得到朝廷的恩准。
宋仁宗庆历二年（1042年）闰九月，元昊大举进攻泾原路所属的镇戍军（今宁夏固原），王沿派大将葛怀敏率兵御敌，在定川（今甘肃平凉市北）遭元昊包围，葛怀敏及将多人战死，九千多名宋军及六百匹战马皆被俘虏。元昊乘胜长驱直入，攻入渭州，大肆抢掠，并且发布文告扬言要亲临渭水，直据长安。关中为之震恐，民多窜入山谷之间。
定川战事初起之时，宋仁宗按地图对左右大臣说：“若仲淹出援，朕无忧矣。”
后来，范仲淹果然率众六千，自庆州增援定州，元昊才撤退回去。奏至京师，仁宗大喜道：“朕固知仲淹可用也。”下诏进范仲淹为枢密直学士、右谏议大夫。范仲淹以军出无功，敌不敢受，宋仁宗不听，依旧拜之。
