显德六年(公元959年)夏，世宗向北征讨契丹，北汉，收复领土，范质因为生病不能跟随，留在京师。世宗赐给范质百万钱，以延医吃药。世宗很快平定了关南，到达瀛州，范质赶往路边迎接。就在征辽战争节节胜利时，世宗不幸患病，只得还师，回到京师后，世宗任用枢密使魏仁浦为宰相，命范质与王溥同参知枢密院事，并任命赵匡胤为殿前都点检。
这年夏末，世宗病笃，召范质等人进宫接受顾命。世宗说：“王著是我在藩镇府第的故人，朕若有不测，应当用他为宰相。”王著是世宗从前慕府的僚属，嗜好喝酒。世宗想是病糊涂了。范质等人出宫后，相互议论说：“王著终日醉生梦死，哪配当宰相!千万不要把皇上这句话泄露出去。”当天，世宗驾崩，？岁的梁王柴宗训即位，是为后周恭帝。范质作为顾命大臣被封为萧国公。
宗训即位初；对百官加官进爵，而趁机南下的契丹兵也在河北霸州被后周北面兵马都部署韩令冲击溃。表面看来，后周国势一片、歌舞升平。谁也没料到，一场政治事变的潜流却已暗暗形成，改朝换代的风云已初现端倪。早在显德末年，范质收到殿中侍御史郑起舶一封密函，信中描述赵匡胤掌握宫禁军队，颇孚众望，并极力陈说了此中的利害关系。但当时正值北伐契丹，不久世宗又染病，政务繁忙，因此这封信并未引起范质的重视。而另一方面，赵氏兄弟的夺权阴谋却在加紧进行。还在世宗在位时，赵匡胤就已暗蓄异图，加紧事变前的准备，他一方面通过自己的结义兄弟和心腹将领在禁军基层加紧活动，另一方面，他自己也开始对资历较深的将领，节度使以及各地藩镇，当朝权贵加以多方笼络和收买。世宗病逝前夕升他为殿前都点检，使他手握重兵。7岁的宗训即位后，赵匡胤又密谋唆使人造谣言“天下无主”，一时间人心惶惶。
公元960年正月，后周君臣正在宫中庆贺新年元旦，镇、定二州使者飞马来报，辽国军队已南下与北汉军队会合。恭帝一时慌了手脚，范质、王溥等也来不及细想便急命赵匡胤率领宫禁值宿警卫的众将抵御来敌。
赵匡胤率领大军于正月初二出城，下午便驻扎于离汴梁东北40里的陈桥驿，赵匡胤本人执掌军政六年，又经常随从世宗柴荣南征北伐，屡建战功，在军队中已有一定威信。他便利用自己的威信指使其弟和赵普到军士中进行煽动。当时，一个颇晓星相的河中人苗训指着西边的天空大声叫：“天上有两个太阳，正在搏斗，天意啊!”于是，初四日黎明，众将身穿铠甲，手执兵器，将一夜未眠的赵匡胤拥出军帐，并把一件黄袍披在他身上，口呼万岁。赵匡胤终于如愿以偿地成为真龙天子，驱兵回京。
范质在朝堂上听说事变，匆忙走下宫殿抓住王溥的手说：“仓促之间派遣将帅，我们失策了啊！”指甲几乎把王溥的手掌掐出血来。王溥张口结舌，无言以对。一会儿，赵匡胤被众将拥着到来。赵匡胤哭着对范质说：“我蒙受世宗大德厚恩，但六军将士非逼着我做皇帝，竟然到了今日这个地步，怎么办哪!”范质不知如何作答。这时散骑指挥都虞侯罗彦环握剑厉声道：“我们没有天子，今天必须得到一个！”范质等人面面相觑，不知所措。一阵紧绷的沉寂后，王溥走下台阶拜见了新君主。目睹此情此景，已身历几度变乱的范质心下明白，识时务者为俊杰。于是，他也步下阶来，带着对后周太祖、世宗的深深愧疚以及对茫茫前途的忐忑惶恐向赵匡胤俯下身去。
出任宋丞 晚年奉献
公元960年正月初五，宋太祖赵匡胤登上崇元殿，身着龙袍，头戴皇冕，正式君临天下。他对周恭帝及其皇室成员都实行优待，对范质、王溥等人也加以重用。范质以司徒、平章事、昭文馆大学士加官侍中；王溥以右仆射、平章事、监修国史加官司空；魏仁浦以枢密使、中书侍郎、平章事、集贤殿大学士加官右仆射。从唐代以来，昭文馆、史馆、集贤院三大馆职都由宰相兼任，首相兼昭文馆大学士，次相兼监修国史，末相兼集贤殿大学士，宋朝因袭此制，范质、王溥的参知枢密职务被免去。
不久，范质患病，太祖出征泽潞前，亲自到他府上探视，并赐给黄金器200两、银器千两、绢2000匹、钱200万贯。
宋太祖对范质十分尊重，凡军政大事皆和他商议。
建隆元年(公元960年)后周昭义军节度使、太原人李筠反叛，太祖与众臣计议调拨军粮的事宜，询问范质。范质说：“大军北上，怀州是十分重要的军粮供应点，不可转移到其它州郡。”于是，宋太祖便升怀州为团练使州，让原怀州刺史马令琮为团练使。
大业初创，许多庶务还来不及办理，皇族子弟未得到封赏，开国功臣也没有授予相应的官位。范质上奏疏说：“赵光义，赵廷美官品爵位均不够尊崇，从典法礼仪上说还有欠缺，请求给他们加封册命，或列于三公宰相，或委任方镇；皇子、皇女即使还在襁褓中，也应交付有关部门办理，准许施行封赏。”于是建隆二年，宋太祖任命赵光义行开封尹、同平章事，赵廷美为山南西道节度使。范质又上疏说：“宰相，以荐举贤才为天职，以埋没善良为不忠。臣看到端明殿学士吕余庆、枢密副使赵普，精通治国之道，在陛下昔日藩镇府邸经营事务，资历颇深，且都公正忠诚值得信赖，请求授予宰相之职，使他们能施展才能。”太祖亦欣然采纳。
乾德元年(公元963年)，宋太祖准备祭祀太庙和天地，于是命范质为大礼使。他对范质说：“近百余年来，中原动荡不安，礼乐仪仗制度虽未断绝，也像游丝细线一样了。如今有幸时事祥和，年成丰收，能够举行祭祀大典了。报答神明借助于众物齐备，爱卿和大礼五使千万要寻究失传的礼仪，遵奉实行典故旧制，不要有旷废失落，以符合朕的一片虔恭。”于是，范质和陶谷、张昭等研讨寻索前代故事，详细考定新制，制定《南郊行礼图》，又让司天监制定《从祀星辰图》，一并奏报太祖，太祖大为嘉赏。从此，宋的礼制才完备起来。这年，太祖大祭完毕后，封范质为鲁国公。范质上表推辞不受，太祖不允。
北门翰林学士职责深重庄严，但一直空缺。一日，太祖询问范质：“何人可以担任此职？”范质回答说：“窦仪清廉方正，谨慎厚重，然在前朝已经从翰林学士升为端明殿学士，如今又为兵部尚书，难以再召回翰林院。”太祖说：“宫禁之中非此人不可，爱卿应当去说明朕意，勉励他再赴此职。”不久，窦仪被命为翰林学士。
虽然，宋太祖极为爱惜文臣，尤其是对范质恩宠有加。但入宋后的范质身历五朝，深知做官为人的奥妙，对英武明智的君主赵匡胤，他更觉“伴君如伴虎”，每日诚惶诚恐，常压低自己，对君主做远距离的仰望，以便明哲保身。他常对家人说：“当鼻吸三斗醋，方可为相。”
先朝旧制，凡遇重大政事，必定命令宰相大臣坐下商议，事毕后常常是赐茶了方才退下，唐朝和五代仍是遵循此制。范质建议将每件政事写成札子进呈，以此听取圣意，太祖采纳。从此宰相坐论政事之礼就被废除，进一步树立了君王的威严，拉大了君臣的距离。范质还几次上表请求退休，都未获准。
乾德二年(公元964年)，范质、王溥、魏仁浦再次上表请求退休。太祖任命范质为太子太傅，王溥为太子太保，魏仁浦为左仆射，免去他们的一切行政事务。
同年秋，范质患病去世，时年54岁，噩耗传来，太祖悲伤痛惜，罢朝一天，赠授范质中书令，赐给他家丰厚的财物。
范质以儒者通晓军事，做了宰相后，廉洁谨慎，敬守法度，从不接受私人的馈赠，朝廷所给的俸禄赏赐多半都给了孤儿和老人。他的生活朴素，死后家里没有多余财物。他的养子范呆曾上书请求升迁，范质作诗告诫他，当时的人广为传诵。他死后留下文集30卷，又著有后梁至后周的《通录》65卷流传于世。
宋太祖在谈论辅佐大臣时，对左右的人说：“范质在居住宅第之外不添置家产，是真正的宰相啊！”宋太宗赵光义评论范质时叹惜说：“他只是欠世宗一死啊!”但是一个人如果能选择，谁又愿意生在乱世呢？统治者走马灯似地更换，在这种情况下，“忠君”只能是迂腐的表现。能于乱世求生存，并能为治国安邦做出一定贡献，这已经很了不起了。若一定要以“忠君”二字论人品，那赵氏兄弟似乎更该死。
范质性格耿直，喜欢当面指出他人的缺点，曾对人说：“人能鼻吸三斗醇醋，即可为宰相矣!”他就是这样一个足智多谋、气度宏大，而又个性鲜明的两朝名相。