宋英宗去世后，他的长子宋神宗赵顼即位。宋神宗在位期间，宋朝初期制订的制度已经产生诸多流弊，民生状况开始倒退，而边境上辽和西夏又虎视眈眈。宋神宗因此锐意改革，启用著名改革派名臣王安石进行朝政改革，将其任命为参知政事。王安石推行的新法包括均输、青苗、免役、市易、保甲、保马、方田均税等。但是，新法的实行遭到了以司马光为首的保守派对新法强烈反弹。加上全国天灾不断，宋神宗的新法实行的决心也有所动摇。
主持变法的王安石
熙宁七年（1074年），北方大旱，一名名叫郑侠的官员向赵顼上呈一幅流民图，图中景象惨不忍睹，宋神宗因此受到极大震撼。第二天宋神宗就下令暂罢青苗、方田、免役等十八项法令。尽管这些法令不久之后得到恢复，但宋神宗与王安石之间已经开始不信任。熙宁七年四月，王安石第一次被罢相，出知江宁府。后来变法派中的官员吕惠卿肆意妄为。王安石因此回京复职，但是他依然受到保守派的坚决阻挠。
熙宁九年（1076年）六月，王安石长子去世，王安石借机坚决求退，宋神宗于十月再次罢免王安石的相位，此后王安石便不问世事。
尽管后人对熙宁新法的评价非常两极，但无庸质疑，新法的推行效果远不如王安石预想。新法的实行虽然大大增加了国家的财政收入和耕地面积，但是却严重增加了平民的负担。熙宁新法在军事上的改革也只是头痛医头，脚痛医脚，军队战斗力无明显改善。加上王安石操之过急，将需要很长时间社会演进才能完成的十余项改革在短短数年内全盘推行，使变法陷入了欲速则不达的困境。而且，新法实施到了后期，条文与执行效果相差越来越大，一些措施从利民变成扰民。新法执行过程中用人不当也是最后失去民心的原因，变法派中如吕惠卿、曾布、李定和蔡京等都是人品相当有争议的人物。有的更被视为小人。对于这次改革，以“大历史”著称的史学家黄仁宇评论这次变法：“早我们之前九百年，中国即企图以金融管制的办法操纵国事，其范围与深度不曾在世界里其他地方提出。但现代金融是一种无所不至的全能性组织力量，它之统治所及概要全部包含，又要不容与它类似的其他因素分庭抗礼。”
废除变法的司马光
王安石被罢后，宋神宗继续改革事业，号为“元丰改制”。元丰改制虽与熙宁变法并称为“熙丰新法”，但改革力度无法同熙宁变法相提并论。伴随著国力的增强，宋神宗将焦点转移到外患上。他决心消灭西夏。熙宁五年（1072年）五月，宋神宗开始西征西夏，取得了很大胜利，也大大鼓舞了神宗的信心。元丰四年（1081年）四月，西夏发生政变，宋神宗借此再次征讨西夏。结果却遭到惨败。宋神宗因此一病不起。元丰八年（1085年）正月初，宋神宗立六子赵佣为太子。而宋神宗颁布的新法虽然曾短暂被其母高太后废，但不久又陆续恢复，不少甚至沿用到南宋时期。宋神宗驾崩后，太后高氏垂帘听政，对刚即位的宋哲宗赵煦严加钳制。高太后信用以司马光为首的旧党，并冷落宋哲宗，结果引发严重的新旧党争，是为元祐党争。宋哲宗亲政后，贬斥旧党，信用新党，变法事业因此得到了持续。
