范仲淹奉调回朝后，面临着一场比抗御西夏更为艰巨的斗争。
北宋政治，弊端丛生，尤其是“冗官、冗兵、冗费”问题极为严重。宋太祖开国时，设官分职本有固定的数目，但以后随着征召官吏、恩荫官职、祠禄官员的日益泛滥，北宋的官吏队伍急速膨胀。仁宗天圣二年（1024），录取诸科进士竞达1067人。而且录取以后，就直接任官，两三年功夫，经科举新录用的官员竟增加一倍以上。而恩荫得官的，那就更多了。宋代官吏不仅多，而且素质极差，办事能力很低，但官员们的待遇却特别优厚，所谓宋朝优待文官，说的就是这些官员，除正俸之外，还供给一定数量的春冬衣料，还有职钱等名目繁多的补助，国家开支不断增加，再加上皇室大兴土木，任意挥霍，政府财政日益入不敷出。而这种负担又转嫁到劳动人民身上，因而社会矛盾日益加深，农民起义和兵变相继发生，内忧外患连年爆发，国家面临重重危机。
范仲淹针对严峻的社会现实和腐朽的官僚政治，力陈改革时弊。
在危机面前，仁宗也感到形势严峻，想摆脱困境，免掉了保守无能的宰相吕夷简和执政王举等人。重用范仲淹，并把韩琦、富弼、欧阳修等人也安排在要职上。主张革新的人在朝廷中占了优势。庆历三年（1043）九月，范仲淹向仁宗上《答手诏条陈十事》，提出十项革新主张：
（一）严明官吏升降制度。朝廷中不是大功德的人不能升迁。在京任职的百官，不是靠选举获现职的，必须任期满五年，才可磨勘升迁。这几乎就是考官员政绩的一种法规。
（二）抑制侥幸。严格限制官僚子弟恩荫特权。恩荫制度使贵族、大官僚每年都要奏荐子弟做官，因而官员滥进的现象十分严重。范仲淹提出，限制恩荫特权，今后两府及两省的官员，遇郊祭大礼奏一子充京官，大臣不能推荐自己的子弟担任馆阁职务，这样任子制度才不致于冗滥。
（三）严密贡举制度。进士参加各种考试都取消在试卷上把姓名糊贴掉的办法，参考平时品行确无缺陷的人，才可把名字上报朝廷。进士先考策论，后试诗赋，各科要录取兼通经书义理的人。赐策以上的高等人，都由皇帝的诏书作出裁决而后宣布。其余优等的，可免吏部铨选而直接注册授官，次一等的，由本科发给凭证，而等候吏部铨选。这样进士的考试方法，就会遵循其名去要求其实了。
（四）选择地方长官。推选地方长官，现任刺史、县令，“不问贤愚，不较能否”一概充任，因而素质低劣，多为蠢民害物之辈。“降诏，委托中书省枢密院首先选拔转运使、提点刑狱、知州，其次再委请两制、三司、御史台、开封府官、各路监司举荐知州、能判；知州、通判举荐知县、县令。限制各官推举人数，在举主多的人中，让中书省先选官任用。
（五）均公田。解决职田分配不均问题。职田是官吏在职外补贴的官田，范仲淹反对废除职田，主张“外官职田有不均者均之，有未给者给之”。使官吏有足够的衣食养活自己，然后才可以要求他们廉洁守节，而犯法的就可以处死和罢官了。
（六）注重农桑。重视农业生产。由于国家不务农桑，因而“粟帛常贵”、“府库日虚”。范仲淹请求降诏诸路，令所属各州令所属各州军官民向政府陈报有关“农桑可兴之利，可去之害”和应整治的堤堰、陂塘、河渠等水利工程。凡属可行的，由州县官员计足工料兴建，这样坚持下去，数年之间，即可农利大兴。
（七）整修武备，加强京师防卫力量。由于京师卫兵多远戍西北，因而京城空虚。范仲淹建议在京师附近招募强壮男丁五万人充作京畿卫士，用来辅助正规军。所募壮丁，每年三季务农，一季教战，既可节省军费，又可增加防卫。
（八）推广朝廷恩泽与信义。皇帝大赦令中的恩惠应有所施行，主管部门有延迟或违反赦令的，要依法重处，另外派出使者到各地去巡视施行的恩泽是否施行得恰当。这样各地就没有废弃滞搁皇上恩泽的人了。
（九）慎重颁布命令。严肃朝廷政令。由于政府下达的政令，“烦而无信，”因而“上失其威，下受其弊”。范仲淹要求制定政令应慎重，不得经常更改，一旦颁行，必须严格遵守。
（十）减轻徭役。现在州县户口减少而上供增多，应该把户口少的县城改为镇，把使院和州院全并为一院。职官厅的杂役，可以让州兵承担，其中不应接受役使的人全部放归务农，老百姓就没有了重役困扰的忧虑了。
范仲淹的十项改革，是他挽救政治危机、缓解财政困难的重要措施，中心是整顿吏治。在他看来，“内外皆得人，未有天下不大治者”。官吏贤能，“生民之病必救，政事之弊必去，纲纪之坏必茸”。
皇帝此时正信任和偏向范仲淹，因此全部采用了他的建议，范仲淹提出的十项革新主张，仁宗于庆历三年（公元1043年）十月开始，先后以诏书形式颁布全国。在庆历这一年，北宋的改革，出现了一个新的局面，也实施了几件重大的举措：
十月，范仲淹和富弼请中书和枢密院选拔各路运转使。经过严格挑选，任命张昌之为河北都转运按察使，王素为淮南都转运按察使，沈邈为京东转运按察使。到各地考察地方官吏，选择有才能者任知州，不胜任者奏请罢免；并由知州挑选知县、县令，不能办事者奏请罢免。范仲淹还亲自在班簿上勾掉了那些不称职的转运使；同月，仁宗降下诏书，更定“磨勘法”，即对政绩卓著者可提前晋升，非有善政者，不得按时升级；赃罪者，文臣增为七年磨勘，武臣增为十年磨勘。还规定，朝官迁升员外郎、郎中，少卿监，必须三年没有私罪，要有五名有声望的官员作保，才能磨勘。待制以上官员，六年无过才可迁升，有过则延期晋升，至谏议大夫为止；十一月，仁宗降诏更定荫子法。凡郊祀奏请恩荫者，除长子不限年岁外，其他子孙必须年过十五岁、弟侄年过二十岁才得恩荫。得到恩荫的“选人”，限半年内赴尚书省考试；合格后，再由京朝官三人保举，才可到远地任官。凡不赴试又无保举者，永不预选；同月，仁宗又降诏限职田，对州县官吏职田均作出数量上的规定；庆历四年三月，仁宗降诏，改革贡举法。诏令州或县皆立学，应举者必须在校学够三百天，才准参加秋试。过去已参加考试的，学习一百天。考试内容，进士科废除考帖经、墨义，改为“先策、次论、次诗赋”；三史科，“取其明史意，而文理可采者”；明法科，考试断案，取“合律令、知法意”者。
庆历的改革，使腐朽的北宋暂时出现生机，使暮气沉沉的官僚机构开始发挥了较好的运行效率。
然而，庆历新政，对权贵官僚的种种特权，作了严格限制，因而触犯了他们的利益，那些权贵官僚串通一气，散布流言蜚语，说范仲淹、韩琦、富弼、欧阳修等人结为“朋党”，更为阴险的是，他们竟伪造事实指控富弼要另立皇帝。仁宗虽然不轻信，但范仲淹和富弼却十分不安，感到新政已难以推行下去。恰巧西北有警，范仲淹请求巡视边防。庆历四年一六月，派他为陕西、河东宣抚使。同年八月，富弼也出任河北宣抚使。范仲淹和富弼离开朝廷后，反对派对新政的攻击更加猛烈。仁宗也于此退缩了，在庆历五年（1045年）正月，罢范仲淹参知政事，以资政殿学士和邠州兼陕西路沿边安抚使。同年十一月，又罢陕西四路安抚使，改知邓州。富弼也贬知郓（yùn）州，韩琦、欧阳修等革新人士，也先后被赶出朝廷。庆历新政就此结束。
皇祐四年（1052）正月，范仲淹徙知颖州，在赴任的途中因病在徐州逝世，终年六十四岁。仁宗悲伤不已，亲笔为他的墓碑撰额，称为“褒贤之碑”。后谥“文正”。遗有《范文正公集》传世。
范仲淹内心刚毅外表温和，天性极孝顺，因为母亲在世时他正贫困，后来虽然富了，但没宾客上门就绝不吃两种荤菜。妻儿的衣食，仅仅能够基本自足。但他乐于施舍，在家创办义庄，用来赡养本族穷人。他博爱众人，乐于行善，很多读书人都出自他门下，即便是平民百姓都能说出他的名字。他去世那天，各地听到死讯的人，都为他叹息。范仲淹为政崇尚忠厚，所到各地都施有恩德，邠、庆二州的老百姓与归附宋朝的羌人，都为他画肖像，立生词以纪念他。到去世时，羌族酋长几百人，像哭自己的父亲那样为他痛哭。斋祭了三天才散去。