好水川之戰夏軍大勝，但損失也很慘重，經過近半年的休整，慶曆元年七月，元昊又集結大軍出擊。夏軍先宣稱要進攻關中，實則主攻麟、府，但被高瓊之子、知幷州高繼宣識破，先通知麟府軍戒備，又帶兵在麟州城下夾擊夏軍，元昊大敗而走。元昊又繼續猛攻麟府地區的其他州砦，均未能取得實質性戰果，而范仲淹堅持穩妥的堡壘推進戰術，用城堡控制了許多咽喉要地。隨着宋軍進攻前沿的緩慢推進，局勢開始對西夏越來越不利。雖然元昊與興平公主一向不和，但這時卻想到請小舅子遼興宗出面。遼帝國也明白保持西夏在宋帝國西北的壓力非常重要，於是詔令南京留守司和西南面招討司集結大量部隊，號稱要出兵，並遣使重提關南十縣的領土問題。宋廷遣樞密直學士富弼爲使，反覆交涉後宋帝國堅持寸土不讓，最後把歲幣從30萬增加到50萬了事。恰逢此時，三司（即戶部、鹽鐵、度支，是分管財經工作的部門）向朝廷提交了增置酒稅以彌補陝西軍費的議案，引起御史臺、諫院一片譁然，爭論許久才勉強通過。這半年時間給了元昊寶貴的喘息之機，不過等宋帝國解決掉這些麻煩後，元昊還是必須取得一場勝利才能保護自己。
閏九月，元昊召集夏軍總參謀部制訂方案，張元提出宋軍精銳現在都集中在邊境，關中空虛，不如直接攻打渭州，宋軍必救，則可設伏將救兵殲滅。元昊集結十餘萬大軍分東西兩路，從劉璠堡和彭陽城合圍鎮戎軍，涇原路都部署王沿遣涇原路招討經略安撫副使葛懷敏率萬餘兵救援鎮戎軍。葛懷敏是大將葛霸之子，范仲淹曾派他深入敵境，襲擊夏州冶鐵務，完滿完成任務，後來提拔爲高級軍官，每次參謀本部制定作戰方案時都顯示出極高軍事才華，宋仁宗曾賜其穿名將曹瑋的戰甲，將其視爲能夠接替曹瑋在宋軍中精神地位的希望之星。唯有范仲淹認爲他是小聰明，不宜爲大將。果然，這種成長在順境中的天才兒童表現出了性格中的缺陷，葛懷敏到達鎮戎軍以南的瓦亭砦，會合知鎮戎軍曹英等部，繼續向西進發。這時王沿送信來再次強調千萬不能輕敵冒進，要背城列陣，以弱兵誘敵深入。但葛懷敏不聽，繼續向西，主動尋找夏軍主力決戰，其進軍甚急，一度只帶百餘騎走在軍前。走馬承直趙政實在看不下去，提醒他離敵軍已經很近，身爲主將應該持重，葛懷敏才略有收斂。
行軍三日後，偵騎捕捉到夏軍主力在鎮戎軍和劉璠堡之間的定川砦附近。葛懷敏提出天明立即出擊，涇原都監趙珣則提出：“現在敵軍以數倍之衆遠道而來，銳氣正盛，我軍應固守鎮戎軍，以利糧餉，再出奇兵斷其歸路，待敵軍銳氣衰竭再出兵掩殺，否則必遭屠戮！”但此時葛懷敏立功心切，堅持主動出擊，並制定了四路出擊的方案：延邊都巡檢使劉湛、向進出西水口，涇原路都監趙珣出蓮華堡，知鎮戎軍曹英、都監李知和出劉璠堡，葛懷敏自領軍出定西堡。夏軍本就人數佔優，宋軍分兵後更處劣勢。元昊快速擊退前鋒劉湛部，又分別立營柵切斷宋軍各部的歸路，葛懷敏只好令各部入據定川砦。然而這正中元昊下懷，因爲他的目的本來就不是攻城，而是殲滅宋軍有生力量。他出動十萬大軍將這萬餘宋軍團團圍困，斷絕歸路又阻斷上流水源，準備困死宋軍。葛懷敏率兵出城列陣，環慶都監劉賀先率數千蕃兵出戰，失利後蕃兵竟四散而逃。葛懷敏、曹英又結陣禦敵，元昊親率精銳衝擊大陣，葛懷敏倒還不賴，中軍巍然不動，元昊又轉而攻擊東偏陣的曹英。本來曹英可以抵禦，不料突然黑風大作，東偏陣潰敗，繼而全陣潰敗。
宋軍一片混亂，相擁入城，差點把葛懷敏擠死。元昊大兵圍城，派人在城下對葛懷敏喊道：“你不是部署廳上點陣圖的嗎？你曉暢軍事，但現在入我圍困，還想往哪兒跑？”葛懷敏召集衆將商議，決定突圍回鎮戎軍，趙珣提出現在出城必遭伏擊，應該堅守以待援軍，葛懷敏又不聽。次日宋軍分前後軍呼應出城，結果前軍剛出城2裡就發現路已經斷了，被夏軍包圍，葛懷敏、曹英、李知和等四十餘將校和數千士兵戰死，趙珣被俘。而留在定川砦中尚未來得及出城的九千餘宋軍連同600匹戰馬都做了俘虜。趁此大勝，元昊又揮軍直抵渭州城下，在周邊大肆劫掠。知原州景泰率5000騎來援，元昊又使出佯敗誘敵的戰術，但景泰沒有冒進，而是搜出伏兵殺之，元昊遂大敗而去。事實上在葛懷敏於定川砦被圍後不久，韓琦、范仲淹、龐籍、狄青等大將紛紛率兵出援，仁宗剛開始還說有范仲淹出兵，定川之圍不足爲慮。誰知不等援軍到，葛懷敏已經全軍覆沒，震驚朝野。所幸范仲淹等路紛紛擊敗夏軍，元昊雖然一度臨近渭州，但還是全軍撤回。戰後廷議，雖然葛懷敏應該對戰敗負主要責任，但念及其以身殉國，仍然追贈爲太尉、鎮西軍節度使，優待家屬，曹英等俱有追贈。王沿因誤用葛懷敏，降知虢州。