此时正是正月，气候严寒，遍地冰雪，元昊知道难以久战，因而一上来便督军猛烈攻城。延州在四山环绕之中，城墙依山而筑，分为两城，中夹延河。城楼雉堞卑小，目无遮拦。士兵登临城外山上九州台，俯瞰城中，清晰如画。此时，延州防备极为薄弱，宋鄜延副都部署石元孙（宋开国名将石守信之孙）领兵在外，守卫延州城的只有延州钤辖卢守□及几百个士兵。范雍惊慌失措，只下令紧闭城门，自己躲在家中求神佛保佑。卢守□见西夏军队攻势猛烈，无计可施下，跑去向范雍哭诉，竟然请求范雍派都监李康伯去向元昊求和，延州通判计用章也力劝范雍弃城逃跑。范雍性情懦弱，居然真的打算派李康伯出城与元昊讲和。李康伯勃然大怒，当即表示决不接受命令，并要求范雍将自己斩首。范雍心中有愧，也不敢对李康伯发作，无可奈何之下，连发二道檄令，急召时在庆州的鄜延副总管刘平率军救援延州。
鄜延路副总管刘平是当时颇有威望的名将，听说延州危急后，说：“义士赴人之急，蹈汤火犹平地，况国事乎？”立即亲率三千精锐昼夜倍道兼行，前往援救延州。急行军四日后，与鄜延副都部署石元孙率领的人马相遇，于是两路援军合兵，打算经万安镇（今陕西志丹东南）奔赴延州。元昊得知宋军动向，事先派兵埋伏在三川口（今陕西安塞东，即延川、宜川、洛川三条河流汇合处）一带。刘平进军到三川口西十里地时，已经是半夜，便让大军就地扎营，先派骑兵奔赴延州。
在这天晚上，自称是范雍使者的“急脚子”（善跑而专程邮递的驿卒，又称“健步”、“健足”、“急足”、“快行子”）赶到刘平军中，说“范太尉（指范雍）已经在延州东门等候各位将军。为了防止奸细混入城中，请令队伍分批入城。”刘平不辨真伪，立即开始调拔队伍，将宋军分成五十队前进，每队大约间隔五里左右。大军出发后不久，“急脚子”突然不知去向，刘平这才起了疑心，便派出探子去侦察情况，探子回报说：“延州城上并无灯火，走在前面的小队军队已经不知去向。”
此时，已经是第二天的清晨。刘平与石元孙商议后，担心西夏人有诡计，而且后面的大队步兵也没有赶到，便重新整军列阵，返回去接应步兵，在半路与步兵会合，又遇到应召前来援助延州的鄜延都监黄德和、巡检万俟政、郭遵部。这样，宋军五路人马合兵后步骑共有万余人，结阵向东行进。
此时，距离西夏军队埋伏好的三川口仅有五里地。宋将郭遵为人谨慎，建议出军前先派军侦察，但刘平没有听从。宋军到达三川口时，突然之间，四周山上鼓角齐鸣，伏兵四起，宋军被西夏军队团团包围。当时漫山遍野都是积雪，平地雪深数寸，刘平、石元孙率军拼死苦战，宋夏双方伤亡都十分惨重，刘平本人也负了伤，左耳右胫都中了流矢。正在最关键的时候，负责殿后的宋将黄德和见西夏军队人多势众，竟然带头逃跑，宋军军心动摇，阵脚大乱。刘平急忙派遣儿子刘宜孙追赶黄德和，劝其顾全大局，拼死一战，但黄德和不但不听从，反而挟持刘宜孙一起逃往甘泉（今属陕西）。
就在此时，宋将郭遵在战斗中被敌人射中战马，摔下马来被西夏兵杀死，宋军全线溃败，很多宋军弃甲溃逃。刘平派军校仗剑阻拦溃兵，仅仅留住一千余人。残余宋军在刘平、石元孙率领下，退到三川口西南附近山坡，设置了七道栅寨，想趁夜色固守。
半夜，元昊派人到宋军寨前挑战，刘平不予理睬。元昊又派人假扮宋边界戍卒递送文书，想诱使刘平出寨。之前吃过亏的刘平当然不会再上当，却将计就计，将西夏人假扮的信使放进来后杀死。元昊一计不成，又派人劝降刘平，刘平则以谩骂回应：“狗贼，汝不降，我何降也！明日救兵大至，汝众庸足破乎！”
第二天黎明，元昊再次派人劝降刘平，刘平不应，于是元昊率骑兵从山后向宋军驻守山坡发动攻击，宋军寡不敌众，全军覆没，刘平、石元孙军被俘。刘平性情刚烈，被俘后犹自威武不屈，破口大骂元昊说：“我头颈三尺长，等着你来砍呢。”但元昊也未杀他，只将他囚禁，后来刘平病死在西夏，石元孙则于庆历五年（1045年）被放回宋朝，宋朝谏官、御史纷纷上书，陈述石元孙兵败未死，成为宋朝的奇耻大辱，并建议将石元孙在边关地区斩首示众，以警告西夏。宰相陈执中等人同意台谏官的意见，指责石元孙既是宋初名将石守信之孙，身为大将，却不能尽忠报国，反而苟且偷生，可杀不可留。贾昌朝引经据典，竭力为石元孙辩护。宋仁宗听从了贾昌朝的建议，饶恕了石元孙，但彻底削除其官爵，编管全州（今湖南全州），不久后石元孙病死。
在三川口打败了宋援兵后，元昊集结兵力，全力进攻延州，连攻七日未下，因天降大雪，气候严寒，难以持久作战，又听说宋鄜州都教练使折继闵、代钤辖王仲宝率军从侧后攻入西夏境内，担心腹背受敌，于是下令回师金明，打算先解决后方，再图进取。又出兵攻安远、塞门、永平等寨，破塞门、安远寨，五龙川一带边户焚略殆尽，延州以北、横山一带都被元昊控制。
三川口战役是元昊发动侵宋战争中的第一次大规模战役，以西夏大获全胜而告终。宋军之惨败，一方面是由于主帅轻敌；另一方面也是宋军军备极差，武器“长短小大，多不中度”，“铁刃不钢”，奉命制造武器的造作所从来就只求速成充数，根本不管质量和实用性如何，这正是宋朝长期忽视军备的结果。连欧阳修都说宋军的武器是“有器械之虚名，而无器械之实用”。而宋军的训练也只重形式，不重实效。当时骑兵中十分之八是弓箭手，步兵中十分之七是弩手，弓箭手和弩手另外单配剑一口，但他们平时只学习一些花架子的射术，根本就不懂得近身搏杀之术；当然，最根本的原因还是宋朝兵制统、调、管三权互相制约，兵不知将，将不知兵，严重地导致了宋军战斗力低下。
因三川口战役还在宋朝廷产生了一场大风波。黄德和临阵脱逃后，大肆掠夺沿途居民，长达十余天时间，老百姓身受其害。但事情还没有就此结束，这个黄德和之后还掀起了一场大狱，牵连极广。他后来回到延州，范雍怒其行为，不准他入城，命令他回鄜州（今陕西富县）听候发落。黄德和恐惧万分，于是便恶人先告状，诬告范雍陷害他，同时诬告刘平、石元孙已经投降了西夏。宋朝廷信以为真，立即派兵包围了刘平等宅第，逮捕了刘平等人家属。幸好大臣贾昌朝、富弼等人力劝宋仁宗，认为刘平是国家忠良。而之前延州钤辖卢守□在夏军兵临城下时，曾经提议与西夏议和，因为害怕被追究，便反告延州通判计用章，计用章也毫不示弱，二个人打起了官司。宋仁宗不胜烦恼，下令贬卢守□和计用章二人官职，并将他们流放到岭南。卢守□、计用章二人对朝廷的判决不服，再次告状。宋仁宗委派文彦博等人前往河中府（今山西永济）审理刘平、黄德和一案，文彦博等人通过周密的调查后，认为黄德和临阵脱逃，依照法律应该斩首，刘平等人为国尽忠，应予以奖赏。最终的结果是：黄德和腰斩，枭首延州城下；卢守□贬为湖北都监、李康伯贬为均州都监；计用章除去仕籍，发配雷州（今广东海康）；范雍撤职，贬官知安州；同时，追封刘平、石元孙等人，并赐给他们的家人官职和大量财物。至此，一场丑剧才算落下了帷幕。
最具有讽刺意义的是，就在宋军在西北边事一败涂地的这一年，中国历史上第一部军事百科全书《武经总要》成书。这部由宋仁宗仿照以往官修正史的组织形式、专门设局，由翰林学士丁度和曾公亮总领一班通晓军事的文人编写而成的官修兵书开创了兵书编纂体例，卷帙浩大，体例完备，内容丰富，非以前任何一部兵书所能比拟。全书共四十卷：前二十卷中，制度十五卷，边防五卷，论述了军队建设和用兵作战的基本理论、制度和赏识，内容有选将料兵，教育训练，部队编成，行军宿营，古今阵法，通信侦察，军事地形，步骑应用，城邑攻防，水战火攻，武器装备等，并配有大量插图，以及军事地理方面的内容，比如边防各路州的方位四至，地理沿革、山川河流、道口关隘、军事要点等；后二十卷中，故事十五卷，依照兵法，分类介绍历代战例，比较用兵得失，总结经验教训；另有五卷为阴阳占候等内容。
而更值得一提的是，元昊入侵宋朝的诸多军事行动均由宋人张元、吴昊策划。张元、吴昊为华州（今陕西华阴）儒生，风流倜傥，自命不凡。二人多次参加宋朝的科举考试，均名落孙山，心灰意冷之下，来到边塞，想要投笔从戎，不料却为宋军边将所轻。二人一怒之下，“径走西夏”，听说元昊准备立国叛宋后，决意投靠元昊。苦于无人引见，二人便故意放荡不羁，借酒发疯，每每在酒店喝完酒后，便在墙壁上留下“张元、吴昊饮此”的字样，终于引起了西夏官府的注意。早就想了解宋朝虚实的元昊听说后，如获至宝，立即将张、吴二人收为己用，十分信赖。二人感激知遇之恩，也极力为元昊出谋划策。可笑的是，宋朝廷听说后，立即将张元、吴昊的家属逮捕，流放到房州（今湖北房县）。但大臣陈希亮（与“包青天”包拯齐名的清官）认为此举不妥，失去了大朝的气度，宋朝廷又将二人家属全部释放，并允许他们前往西夏，从而使张、吴二人免去了后顾之忧，从此成为元昊的谋士，全心全意帮助西夏对付宋朝。在二人的建议下，元昊派人潜入宋境，用重金收买释放出宫的宫人，养在西夏，以了解宋朝的“朝廷刑赏，宫闱阴事”。宋人洪迈（《容斋随笔》作者）曾愤怒地评论张元、吴昊二人说：“西夏曩宵之叛，其谋皆出于华州士人张元与吴昊！”
三川口战役后，宋军主帅范雍被免职，这位并不称职的边帅黯然离开了边关。他一生中最值得一书的事，大概是当时还是小校的狄青犯了军法，当斩首示众，范雍赦免了他，由此才使后来宋军多了一员猛将。事见《宋史·卷二百八十八·范雍传》。
为了应对西夏强有力的挑战，宋朝廷随即对西北防务进行了大幅度调整，户部尚书夏竦曾上书陈述西夏事宜，被任命为陕西都部署兼经略安抚使，有“天下之选”之称的韩琦、范仲淹则被任命为陕西都部署兼经略安抚副使。这样，夏竦为西北边关主帅，韩琦、范仲淹为副手，共同负责延州一带的防务。在西夏步步进逼的情况下，范仲淹由韩琦力荐，受命于危难之间，重新崛起于历史的舞台。因为之前的宋军主帅范雍也姓范，西夏人称范雍为“大范老子”，称范仲淹为“小范老子”。
范仲淹（989～1052），字希文，吴县（今江苏苏州）人。因其喜好弹琴，平日只弹履霜一曲，故时人称之为“范履霜”。少时贫苦，两岁丧父。母亲谢氏贫困无依，为了生活，只好带着儿子改嫁长山（今山东邹平）朱文翰，范仲淹也改名朱说。
成年后，范仲淹在一次与朱氏兄弟的争执中得知了自己的真实身世，“感愤自立”，决定离家外出求学。他带着琴剑，来到南京（今河南商丘）应天书院读书。早上总是煮一盆粥，当做一天的食粮，饿了就用刀将粥切几块分吃，一直读书到夜深人静，五年未尝解衣就寝。尽管生活如此贫寒艰辛，但范仲淹志向远大，常“以天下为己任”，还是秀才时就有敢言之名，宋真宗大中祥符八年（1015年）二十七岁时考中进士，从此步入仕途。两年后，上表请求改回范姓。
少年艰苦的生活，使范仲淹始终能以清廉律己，关心人民疾苦，不忘“忧天下”的初志。欧阳修曾经盛赞范仲淹说：“少有大节，于富贵贫贱、毁誉欢戚不一动其心，而慨然有志于天下。”范仲淹任官以后，每每慷慨激昂，抨击时弊，奋不顾身，开创了一代士大夫重视气节之风。他担任谏官时，曾与御史中丞孔道辅等人力谏宋仁宗废后一事，不惜公然与皇帝宋仁宗和宰相吕夷简对抗。这件事被认为是古代监察制度史上的大事，表明了台谏制度发展到一个新的水平，正如南宋吕祖谦所说：“自孔道辅、范仲淹敢于抗（吕）夷简，台谏之权敢与宰相为抗矣。”
宋仁宗废皇后郭氏为宋朝立国以来第一起废后事件。宋仁宗初即位时，由太后刘娥听政。刘娥为宋仁宗选取平卢军节度使郭崇孙女郭氏为皇后，但宋仁宗并不是很喜欢郭皇后。刘娥死后，宋仁宗罢免了曾经依附刘娥的大臣，唯独没有罢免宰相吕夷简。有一次，宋仁宗在后宫与郭皇后谈论朝臣，特意强调吕夷简忠诚可嘉。宋仁宗之所以格外赞赏吕夷简，是因为此人当年极力与刘娥争辩，主张以皇后礼仪安葬宋仁宗生母李氏，由此李氏身后事隆重，而太后刘娥刘氏一族也得以保全。郭皇后却认为吕夷简其实是阿谀奉承之辈，不过为人机巧、能应对而已。宋仁宗略一思忖，认为郭皇后的话有道理，于是将吕夷简罢相。宦官阎文应将郭皇后的话告诉了吕夷简，吕夷简愤恨异常。几个月后，谏官刘涣上疏陈时事，特意提到当时他力请刘娥还政给宋仁宗，结果触怒了太后，几乎被杀，幸得吕夷简相救。宋仁宗意志软弱，容易被旁人的意见左右，又觉得吕夷简是忠臣，于是将其重新召回为相。虽然官复原职，但吕夷简一直对郭皇后怀恨在心。刚好此时郭皇后与尚美人（美人等级次于皇后、夫人、嫔、婕妤，视正四品）争宠，扭打时失手抓伤了前来劝架的宋仁宗。吕夷简由此大作文章，说郭皇后失礼，不足母仪天下。宋朝自宋太祖赵匡胤开国以来，还没有出现过废后的先例。宋仁宗虽然愤恨皇后，但一听宰相提到废后，还是比较谨慎，说：“皇后虽然可恨。但废后一事，却有干清议。”吕夷简说：“废后之事，古亦有之。光武帝是汉代的明主，其郭皇后仅因为怨怼而被废。何况今日皇后打伤了陛下！”宦官阎文应也在一旁附和，说郭皇后身居中宫九年，却没有子嗣，应当废去。宋仁宗激愤起来，决定废除郭皇后。宋仁宗要废后的消息传开后，御史中丞孔道辅（孔子四十五代孙）、谏官范仲淹、同知谏院孙祖德、侍御史蒋堂等十多人联名上奏，坚决反对宋仁宗废除郭皇后。宰相吕夷简早有准备，抢先一步下令有司不得接纳台谏章奏。宋仁宗则抢在群臣发难之前，下了废后诏书，说郭皇后没有子嗣，自愿退位修道。御史中丞孔道辅和谏官范仲淹等人见台谏的奏章无法送到皇帝手中，无法可想，竟然集体跑到皇帝寝宫门口进谏。这是前所未有的大事。宋仁宗自己觉得理亏，不愿接见谏官，便派内使传话，让进谏的大臣们到中书政事堂与宰相对话。孔道辅和范仲淹等人来到中书时，宰相吕夷简已经等在那里。孔道辅一上来就质问吕夷简说：“大臣对皇后来说，就像儿子对待父母一样。父母不和，可以劝他们和解，怎么能只顺从父亲一面而不要母亲呢？”吕夷简争辩说：“废后一事，不是本朝首创，古已有之，汉朝和唐朝都有先例。”孔道辅怒斥道：“大臣应该引导君王为尧、舜那样的圣主，为什么偏偏要引汉、唐失德事作为标准？”群臣随即一哄而上，纷纷指责吕夷简。吕夷简招架不住，只好拱手说：“各位还是去见陛下力陈吧。”然后匆忙离开。第二天，孔道辅等人入朝，准备召集百官，与吕夷简当廷争论。然而，宋仁宗的圣旨突然到来，说“伏阁请对，盛世无闻，孔道辅等冒昧径行，殊失大体”，将孔道辅和范仲淹贬黜出京城，孔道辅知徐州，范仲淹知睦州（今浙江建德，属桐庐郡，为汉光武帝刘秀故人严子陵隐居处），其他进谏大臣罚俸半年。废后之议因此而定。
范仲淹最恼怒无为腐朽的官员，选拔官员时，看到不中用的，就在班簿上一笔勾销。当时富弼（晏殊女婿，且由范仲淹牵线）任枢密副使，说：“一笔勾，一家哭矣！”范仲淹回答道：“一家哭，何如一路哭耶！”他因多次上书批评当时的宰相，曾先后三次被贬。
范仲淹被贬后，从此远离中枢，朝中凡是为他说话的人，都会被视为朋党，世人都认为他这一生就这么完了，已经毫无东山再起的可能。然而，世事难料，李元昊的称帝竟然带给了他重新崛起于政治舞台的契机。
范仲淹担任陕西经略安抚使后，首先到延州视察军事防务。当时延州知州为张存，对军事一窍不通不说，还因为是个大孝子，一心挂念家中八十岁的老母，根本无心留任边境地区。范仲淹了解到张存的情况后，便主动向朝廷提出由自己担任延州知州的职务。范仲淹此举，其实是将自己推到了国防阵线的最前沿。
当时的当务之急是收复金明、塞门等寨，以解除西夏军队对延州的直接威胁。鄜延钤辖张亢、都监王达先出击金明，西夏军退走。范仲淹则领兵驱逐塞门等寨蕃骑出境，随后采纳部下周美的建议，派周美率军迅速修复金明寨并负责守卫。果然不出所料，西夏军再度来攻金明寨。周美严阵以待，领军力战终日，又派人多点火把以为疑兵，终于击退西夏军，挫败了元昊二次进攻延州的计划。
范仲淹走马上任后，除了改善延州一线边防涣散软弱的状况外，还着手切断西夏军队的兵器来源。西夏兵器采用冷锻方法铸造，而且已经懂得使用比较进步的竖式风箱设备，因此其兵器“坚滑光莹，非劲弩不可进入”，非常坚固耐用，宋军兵器往往不能与其匹敌。西夏夏州（今内蒙古乌审旗）一带多山，盛产铁矿，西夏专门在此设置“铁冶务”，制造甲胄兵器。只要攻占夏州，便能有效地断绝西夏兵器的来源。夏州距离宋朝麟州（今陕西神木）、府州（今陕西府谷）较近，之前麟府都部署葛怀敏曾打败西夏军队后，一度抵达夏州。范仲淹命令葛怀敏和麟府都监朱观兵分六路进攻西夏，宋军开始很顺利，攻破了西夏十一座城堡，直抵洪州（今陕西志丹西北）。然而西夏军队据险固守，横山（今陕西横山县）一带的蕃部部落也截断宋军退路，葛怀敏等人失利，被迫撤离西夏本土。
进攻夏州失利后，范仲淹开始改革防御西夏的办法。传统中，宋边境各州部署统帅一万人、州钤辖五千人、州都监三干人，当西夏军队入侵时，宋方往往派遣官品较低的武将都监出征。范仲淹认为不根据敌兵的多寡而出战，而以官品高低为先后，是宋军失败的重要原因。因此他把延州的宋军分成六将，每将三千人，分别进行训练，根据敌兵的多寡而派遣相应人数的宋军迎战。
其后，陕西边境各路均仿效范仲淹的这一措施，取得了防御西夏的良好效果。甚至在西夏军中有流传说：“不能轻易向延州发动进攻，现在小范老子（指范仲淹）胸中有数万甲兵，不如大范老子（指范雍）那样好欺负。”针对宋朝廷的边防策略，元昊也开始有计划改变进攻宋朝的路线，避免与范仲淹直接交锋。
范仲淹著名的《渔家傲》便是作于他驻守延州期间：
塞下秋来风景异，衡阳雁去无留意。
四面边声连角起。
千嶂里，长烟落日孤城闭。
浊酒一杯家万里，燕然未勒归无计。
羌管悠悠霜满地。
人不寐，将军白发征夫泪！
《渔家傲》本是北宋年间的流行歌曲，最早见于北宋著名词人晏殊，因词中有“神仙一曲渔家傲”句，便取“渔家傲”三字作词名。“塞下”便是指延州。“衡阳雁去”是指湖南衡阳县南有回雁峰，传说大雁飞到此地后，即不再南飞，事见王象之《舆地纪胜·卷五十五》。燕然山即今之杭爱山，后汉名将窦宪追击匈奴，出塞三千余里，至燕然山刻石记功而还。
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