主持■延路军务
元丰三年(1080)六月,沈括出知延州(今陕西延安),兼■延路经略安抚使,成为一方军事统帅。
■延路管辖陕西北部,与西夏接壤,是一个具有重要战略意义的军事重地。当时西夏惠宗年幼,外戚擅权,出现了政治危机,宋神宗试图乘机出兵西夏。沈括一到延州,即加紧执行神宗的出兵政策。他一面完成边防布置,一面与新任■延路经略副使种谔密议出兵事宜。他统军和治军有方, 使军队的战斗力得到加强,并深得朝廷的赞许。
元丰四年(1081)六月,西夏内乱,宋军乘机出动 20 多万大军,分兵五路,进攻西夏。这次战争,由于宋军深入西夏腹地,粮草不继,终告失败。战争期间,沈括留镇延州,击退了西夏军的侵袭,并巧布疑兵计,不发一兵一卒,连下西夏在边境上的三个军事要寨。当宋军溃退时,他又采取声东击西和迂回战术,连夺西夏二要寨,擒获西夏军首领,挫败了西夏军乘胜南下的计划,稳定了边境局势。
元丰五年(1082),为加强边防,沈括和种谔建议重修古乌延城(在夏州西南),但钦差徐禧反对,并强行修筑永乐城(在陕西米脂西)。沈括虽提出异议,未被采纳。同年九月,永乐城被西夏军攻破,宋军损失一万多人, 夫役无数。沈括虽保住了绥德,阻止西夏军的继续前进,但作为一方主帅, 未能坚持自己的主张,坚决反对徐禧的一意孤行,导致惨败,不能不说是严重的失职。同年十月,沈括终因“措置乖方”而被罢官。