葛怀敏不听号令，指军镇戎军曹英、泾原路都监赵珣、两路都巡检李良臣、孟渊等部，集兵数万人，继续北进冒险突进。
二十日，宋军前进至镇戎军西南，宋将赵政认为距离西夏军已很近，不可再进。葛怀敏命令大军停止前进，诸将听说赵元昊移军新壕外，在镇戎军开军事会议，决定次日黎明前发动大规模袭击西夏军队。
赵珣以为夏军远来，利于速战速决，建议依马栏城布栅，扼其归路，固守镇戎，以保障粮道，待其兵疲而击。
葛怀敏不听建议，命诸将分兵四路趋定川寨。二十一日，沿边都巡检使向进、刘湛行至赵福新堡，遭遇西夏军截击，退守向家峡。赵元昊乘势挥军攻打新壕，向宋中军进逼。
九月二十一日，葛怀敏刚刚与赵珣、曹英等诸将于定川寨刚会合，突然，漫山遍野像潮水一样涌现出无数西夏兵马，拔栅逾壕，四面进攻。夏军又阻断定川水泉上流，截断了宋军的水源。
无奈，葛怀敏只得硬着头皮出寨，布下军阵迎战。夏军猛攻中军，宋军岿然不动。夏军掉头，又猛攻东北角的宋将曹英一军。
关键时刻，忽然吹起东北黑风，宋军迎风列阵，一时大乱，军阵遂溃，兵士皆掉头往定川寨里面狂逃，宋将曹英本人面中流箭，被射翻于城壕之中。
宋军象鸟兽散一样乱作一团，正在阵中指挥的葛怀敏也被溃兵挤下马，几乎被踩死，幸亏卫士拼力抬回寨中，才捡回一条老命。宋军逃回寨内，死守城门，杀掉不少西夏兵，形势才稍为稳定下来。
当晚，西夏兵在寨外四面举火，高呼“宋军投降！宋军投降！”葛怀敏、曹英等诸将久议不决，直至凌晨，葛怀敏才下令，准备结阵而出，向镇戎军方向突围。有宋将认为应该迂回行军，但葛怀敏执意要直接突围奔趋镇戎军而去。
二十二日黎明，以曹英、赵询为先锋，刘贺、许思纯为左右翼，李知和、王保、王文等殿后，结阵东进。临行，属下拦马再谏，请求转道而行，葛怀敏不听劝阻，继续策马向东南突围，驰行二里，这才发现长城壕桥已断，归路被阻。
西夏军乘宋军混乱之机，又断宋军后路，以逸待劳，从四面追杀过来，宋军终因寡不敌众，被西夏军十万大军重重包围，四面夹击，弹尽粮绝，葛怀敏与部将曹英，李知和、赵珣、王保、王文、刘贺等十六位将领拒不投降，全部阵亡，宋军九千余人几近全军覆灭，宋军大败。
赵元昊获胜后，挥师南下，连破数寨，直抵渭州，但该路军队遭到宋朝原州（今甘肃镇原）知州景泰的顽强阻击。
西夏军在攻打渭州时，同时进攻距渭州仅一百二十里的泾州城。知州滕子京与老友范仲淹再次通力合作，滕子京沉着应战，动员数千百姓共同守城；范仲淹率一万五千人驰援泾州后，滕子京又极力为军队供应柴粮，确保了战争所需的一切物资，终于将西夏军击退。
战争结束后，滕子京大设牛酒宴，犒劳羌族首领和士兵，又按当时边疆风俗，在佛寺里为在定川砦战争中死亡的士卒祭神祈祷，并抚恤死者亲属，收服边疆部族民心。
好水川和定川砦的接连惨败，终于使宋仁宗认识到实施范仲淹防御策略的重要意义，正是由于范仲淹的正确指挥，才在渭州一举扭转了战争局势，避免了局势的进一步恶化。这时，宋仁宗才真正觉得范仲淹是大宋不可多得的将帅之才，加封为枢密直学士、右谏议大夫，任鄜延路都部署、经略安抚招讨使。
十一月，仁宗采纳范仲淹建议，恢复设置陕西路安抚、经略、招讨使，让范仲淹、韩琦、庞籍分领职事。范仲淹与韩琦在泾州设置官第，将文彦博调到秦州做统帅，滕宗谅调到庆州做统帅，张亢担任渭州的统帅。
范仲淹认为，宋军人数虽多，但缺乏强将精兵，战斗力差；西夏军人数虽相对较少，但兵精马劲，战斗力强。他针对宋军这种软弱无力、边备废弛、武将无能、土兵散漫、很难克敌制胜的实际情况，认真加强练兵，采取各种办法提高宋军的战斗力。
同时大力改革军队的指挥机制，增强军队的战斗力。
根据宋朝的规定：守边之兵由将官分别率领，宋朝皇帝的诏旨中曾规定了各级将领统率军队的数目：部署统领士兵人数1万人，钤辖统领士兵人数五千人，都监统领士兵人数三千人（部署、钤辖、都监都是一省内统兵的军事长官）。
他们的品级有高低区分，但是指挥部队却又互相独立，没有上下级管辖的隶属关系，这就造成战争发生中下级不服从上级的调配，“虽有主将，不专号令”。
最典型的例子是宋夏三川口之战双方相持中，后军黄德和居然扬长而去，刘平派他儿子去后军也劝不回来，直接导致全军崩溃。
更挫伤士兵立功积极性的规定是，若遇敌侵犯，按官职的大小来决定出兵迎战的次序，官位低的军官就带军队先行出阵抵御，而在论功行赏时，官位高的军官又排在最前。
结果，导致很多兵士不愿为国效命，经常被敌人打得大败。对此，范仲淹深恶痛绝：“兵机险恶，量敌而行，尚且不能稳操胜算，将领的委派不按敌之多寡强弱的实际去考虑，而以官位的高低为出兵的次序用兵，焉有不败之理。”
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