庆历三年（1043年），元昊请求议和，西方边事稍宁，仁宗召范仲淹回京，授枢密副使，又擢拔欧阳修、余靖、王素和蔡襄为谏官（俗称“四谏”），锐意进取。六月，谏官上言范仲淹有宰辅之才，仁宗欲拜为参知政事，范仲淹推辞不就；八月，仁宗罢免副宰相王举正，再拜范仲淹为参知政事。
仁宗调整辅臣结构后，多次召见富弼、范仲淹等人，征询天下大事。范仲淹虽感谢皇恩，却认为事有先后，朝廷陈弊积久，非一朝一夕所能改变。仁宗遂亲笔诏书，开天章阁、陈设笔砚、赐坐以待。范仲淹惶恐不安，退朝后作《答手诏条陈十事》，上疏仁宗“明黜陟、抑侥幸”等十件事。仁宗采纳，诏书统一颁布，以示天下，只有府兵法，因辅臣反对而作罢。
庆历四年（1044年），范仲淹又上疏仁宗“再议兵屯、修京师外城、密定讨伐之谋”等七事，并奏请扩大相权，由辅臣兼管军事、官吏升迁等事宜，改革广度和深度进一步增加。新政实施后，恩荫减少、磨勘严密，希图侥幸的人深感不便，于是毁谤新政的言论逐渐增多，指责范仲淹等是“朋党”的议论再度兴起。六月，边事再起，范仲淹请求外出巡守，仁宗任命为陕西、河东宣抚使。
因新政实施后，恩荫减少、磨勘严密，希图侥幸的人深感不便，于是毁谤新政的言论逐渐增多，指责范仲淹等是“朋党”的议论再度兴起。仁宗对朋党之论也开始产生怀疑，范仲淹提出“小人之党、君子之党”的说法予以反击，欧阳修也撰写《朋党论》一文上奏仁宗。
五月，范仲淹与韩琦上疏仁宗“再议兵屯、修京师外城、密定讨伐之谋”等七事，并奏请扩大相权，由辅臣兼管军事、官吏升迁等事宜，改革广度和深度进一步增加。
六月，夏竦令人依照石介笔迹，诬蔑富弼欲行伊霍之事，私撰废立诏草。仁宗虽不相信，但范仲淹等人惶恐不安，时边事再起，范仲淹请求外出巡守，仁宗任命为陕西、河东宣抚使，仍保有参知政事的头衔。八月，富弼亦以枢密副使离京，出为河北宣抚使。
庆历五年（1045年）正月二十八日，范仲淹被罢去参知政事，知邠州、兼陕西四路缘边安抚使。同一天,，富弼亦被罢去枢密副使,，改任京东西路安抚使、知郓州。第二天，杜衍被罢为尚书左丞，出知兖州。
二月初四，罢磨勘新法、任子新法。三月初五，韩琦罢枢密副使,加资政殿学士,知扬州。至此,主持变法改革的主要人物,全被逐出朝廷。二十三日，废除科举新法，恢复旧制。八月二十一日，欧阳修罢河北都转运使，改知滁州。至此，庆历新政彻底失败。
庆历六年（1046年），范仲淹抵达任所邓州，重修览秀亭、构筑春风阁、营造百花洲，并设立花洲书院，闲暇之余到书院讲学，邓州文运大振。时尹洙被贬筠州，疾病缠身，范仲淹便把尹洙接到邓州养病。
庆历八年（1048年），有诏调范仲淹知荆南府，邓州人民殷切挽留，范仲淹也喜欢邓州，就奏请朝廷，得以留任。范仲淹在邓州共计三年，百姓安居乐业，其传世名篇《岳阳楼记》及许多诗文均写于邓州。
皇祐元年（1049年），范仲淹调任知杭州。子弟以范仲淹有隐退之意，商议购置田产以供其安享晚年，范仲淹严词拒绝。十月，范仲淹出资购买良田千亩，让其弟找贤人经营，收入分文不取，成立范氏义庄，对范氏远祖的后代子孙义赠口粮，并资助婚丧嫁娶等用度。
皇祐三年（1051年），升为户部侍郎，调往知青州，因冬寒病重，求至颍州。