興修水利
　　沈括十分重視發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和興修水利。早在他青年時(shí)期任沭陽縣主簿的時(shí)候，就主持了治理沭水的工程，組織幾萬民工，修筑渠堰不僅解除了當(dāng)?shù)厝嗣竦乃疄?zāi)威脅，而且還開墾出良田七千頃，改變了沭陽的面貌，那時(shí)他只有24歲。在任寧國縣令的時(shí)候，他倡導(dǎo)并且主持在今安徽蕪湖地區(qū)修筑萬春圩，開辟出能排能灌、旱澇保收的良田一千二百七十頃，同時(shí)還寫了《圩田五說》、《萬春圩圖書》等關(guān)于圩田方面的著作。
　　熙寧五年（公元1072年），沈括主持了汴河的水利建設(shè)。為了治理汴河，沈括親自測(cè)量了汴河下游從開封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地勢(shì)。他采用“分層筑堰法”，測(cè)得開封和泗州之間地勢(shì)高度相差十九丈四尺八寸六分。這種地形測(cè)量法，是把汴渠分成許多段，分層筑成臺(tái)階形的堤堰，引水灌注入內(nèi)，然后逐級(jí)測(cè)量各段水面，累計(jì)各段方面的差，總和就是開封和泗州間“地勢(shì)高下之實(shí)”。僅僅四五年時(shí)間里，就取得引水淤田一萬七千多頃的成績。在對(duì)地勢(shì)高度計(jì)算時(shí)，其單位竟細(xì)到了寸分，沈括的治水態(tài)度是極其嚴(yán)肅認(rèn)真的。

發(fā)現(xiàn)石油
　　有一次，沈括在書中讀到“高奴縣有洧水，可燃”這句話，覺得很奇怪，他決定進(jìn)行實(shí)地考察。考察中，沈括發(fā)現(xiàn)了一種褐色液體，當(dāng)?shù)厝私兴笆帷?、“石脂”，用它燒火做飯，點(diǎn)燈和取暖。沈括弄清楚這種液體的性質(zhì)和用途，給它取了一個(gè)新名字，叫石油。并動(dòng)員老百姓推廣使用，從而減少砍伐樹木。沈括在其著作《夢(mèng)溪筆記》中寫道：“鄜、延境內(nèi)有石油……頗似淳漆，燃之如麻，但煙甚濃，所沾幄幕甚黑……此物后必大行于世，自余始為之。蓋石油至多，生于地中無窮，不若松木有時(shí)而竭。”沈括發(fā)現(xiàn)了石油，并且預(yù)言“此物后必大行于世”，是非常難得的。沈括發(fā)明的“石油”這個(gè)名詞便一直沿用到今天。

膽水煉銅
　　沈括生于宋明道元年（1031年）的一個(gè)官宦家庭，他的父親沈周當(dāng)過福建泉州、河南開封、江蘇南京、四川成都的知府，使得沈括有機(jī)會(huì)隨父親走過全國許多地方，見識(shí)比限于一地一市的讀書人要開闊得多。他讀的也是四書五經(jīng)，但他有與眾不同之處，就是每到一地，很關(guān)注當(dāng)?shù)嘏c自然科學(xué)相關(guān)的新鮮事，用現(xiàn)代的話來說就是很注重勞動(dòng)人民的創(chuàng)造。在沈括紀(jì)念館里，可以看到這樣一則記載：他隨父親居住在福建泉州時(shí)，就聽說江西鉛山縣有一泓泉水不是甜的，而是苦的，當(dāng)?shù)卮迕駥⒖嗳旁阱佒屑灏?，苦泉熬干后就得到了黃燦燦的銅。他對(duì)這一傳說很感興趣，于是就不遠(yuǎn)千里來到鉛山縣，看到了村民“膽水煉銅”的過程，并在《夢(mèng)溪筆談》中記錄下來。這是我國有關(guān)“膽水煉銅”的最早記載，歷史的發(fā)展證明他的記載是正確而可靠的。在鉛山縣有幾道溪水不是清的，而是呈青綠色，味道是苦的，當(dāng)?shù)卮迕穹Q為“膽水”，“膽水”就是硫酸銅溶液。村民將“膽水”放在鐵鍋中煎熬，就生成了“膽礬”?！澳懙\”就是硫酸銅，硫酸銅在鐵鍋中煎熬，與鐵產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，就析出了銅。

繪制地圖
　　在長達(dá)三十余年的官宦生涯中，沈括很注重考察祖國的山河特點(diǎn)，形成了他的地理學(xué)說。他考察了浙江的雁蕩山并提出雁蕩山的凌空巨石是雨水千百年沖刷的結(jié)果，他考察了黃河三角洲并提出三角洲是黃河泥沙堆積而成的。他還有一大創(chuàng)造，就是用“飛鳥圖”繪制了“大宋天下郡守圖”，使得北宋的地圖越來越精確。在宋代，由于測(cè)繪技術(shù)的局限，繪制地圖用的是“循路步之”法，也就是沿路步行丈量，用步行得出的數(shù)據(jù)繪制地圖，由于道路彎彎曲曲，山川高低錯(cuò)落，用“循路步之”法繪制的地圖與實(shí)況有很大的誤差，圖上差之一厘，實(shí)地就差之千米。他采用“飛鳥圖” 也就是“取鳥飛之?dāng)?shù)”，用的是飛鳥直達(dá)的距離，有點(diǎn)像航空拍攝，使得地圖的精確度大為提高。他的地理學(xué)說與《大宋天下郡守地圖》在與遼國的邊界談判中發(fā)揮了重要作用。
　　北宋與遼國之間戰(zhàn)爭不斷，簽訂《澶淵之盟》后雙方罷兵休戰(zhàn)。遼國垂涎中原地區(qū)的繁華，仗著驍勇的騎兵，不斷提出領(lǐng)土要求。宋熙寧八年（1075年），遼國派大臣蕭禧來到東京，要求重新劃定邊界，他提出的邊界是山西北部的黃嵬山，黃嵬山以北為遼國所有，以南為大宋朝所有，大宋朝如同意他的要求，等于將遼國的領(lǐng)土向南推進(jìn)了三十多里。黃嵬山是一座默默無聞、名不見經(jīng)傳的山脈，北宋大臣沒人知道，朝廷上上下下亂作一團(tuán)。這時(shí)，朝廷想起了熟識(shí)地理的沈括，命他出任談判特使，要他既不能輕開戰(zhàn)釁，也不能向敵示弱而接受無理要求。沈括他所恃的武器就是他的地理學(xué)說與《天下郡守圖》。他向蕭禧指出，兩國按《澶淵之盟》劃分邊界，邊界是白溝河，白溝河以北為遼國領(lǐng)土，以南為大宋領(lǐng)土，而黃嵬山在白溝河以南，是大宋的領(lǐng)土，而不是遼國的領(lǐng)土。蕭禧沒有一張自己的地圖，更不知道黃嵬山的準(zhǔn)確方位，在地圖面前，他感到理虧三分，氣焰不知不覺地矮了一截，爭論了幾天后，雙方無功而返，但沒有將爭論推向極端。
　　不久，沈括又受命出使遼國，在遼國首都上京再談兩國邊界，這時(shí)遼國的談判代表升了級(jí)，改成了遼國宰相楊益戒。在談判時(shí)，沈括再次提出以《澶淵之盟》為基礎(chǔ)，以《天下郡守圖》為依據(jù)，有理有節(jié)，寸步不讓，而遼國宰相找不到重劃邊界的理由。這時(shí)，沈括又出示宋朝的木制地形模型，這使得遼國宰相大為驚奇，深感宋朝有奇才能人。沈括終于使得遼國放棄了對(duì)宋朝的領(lǐng)土要求，他以一位外交家與地圖學(xué)家，運(yùn)用智慧捍衛(wèi)了宋朝的尊嚴(yán)，把祖國的領(lǐng)土奪了回來。

天文方面
　　沈括還是一個(gè)天文學(xué)家。熙寧五年（公元1072年），也就在沈括負(fù)責(zé)汴河水建設(shè)時(shí)，沈括還負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)司天監(jiān)，在任職期間，他先后罷免了六名舊歷官，不計(jì)出身，破格推薦精通天文歷算、出身平民的淮南人衛(wèi)樸進(jìn)入司天監(jiān)，主持修訂新歷的重要工作。沈括和衛(wèi)樸治學(xué)態(tài)度認(rèn)真，對(duì)舊歷官憑借演算湊數(shù)的修歷方法非常不滿，主張從觀測(cè)天象入手，以實(shí)測(cè)結(jié)果作為修訂歷法的根據(jù)。為此，沈括首先研究并改革了渾儀、浮漏和影表等舊式的天文觀測(cè)儀器。
　　渾儀是測(cè)量天體方位的儀器。經(jīng)過歷代的發(fā)展的演變，到宋朝，渾儀的結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得十分復(fù)雜，三重圓環(huán)，相互交錯(cuò)，使用起來很不方便。為此，沈括對(duì)渾儀作了比較多的改革。他一方面取消了作用不大的白道環(huán)，把儀器簡化、分工，再借用數(shù)學(xué)工具把他們之間的關(guān)系聯(lián)系起來（“省去月道環(huán)，其侯月之出入，專以歷法步之”）；另一方面又提出改變一些環(huán)的位置，使它們不擋住觀測(cè)視線。沈括的這些改革措施為儀器的發(fā)展開辟了新的途徑。后來元朝郭守敬于元世祖至元十三年（公元1276年）創(chuàng)制的新式測(cè)天儀器——簡儀，就是在這個(gè)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
　　漏壺是古代測(cè)定時(shí)刻的儀器，由幾個(gè)盛水的容器裝置成階梯的形式，每一容器下側(cè)都有孔，依次往下一容器滴水漏水。最下面的容器沒有孔，里面裝置有刻著時(shí)間標(biāo)度的“箭”，隨著滴漏水面升高，“箭”就慢慢浮起，從顯露出來的刻度可以讀出時(shí)刻。沈括對(duì)漏壺也進(jìn)行了改革。他把曲筒銅漏管改做直頸玉嘴，并且把它的位置移到壺體下部。這樣流水更加通暢，壺嘴也堅(jiān)固耐用多了。
　　此外，沈括還制造了測(cè)日影的圭表，而且改進(jìn)了測(cè)影方法。
　　沈括在《渾儀議》、《浮漏議》和《景表議》等三篇論文中介紹了他的研究成果，詳細(xì)說明改革儀器的原理，闡發(fā)了自己的天文學(xué)見解，這在我國天文學(xué)史上具有重要的作用。
　　沈括和衛(wèi)樸的一系列革新活動(dòng)遭到守舊勢(shì)力的攻擊和陷害。在沈括和衛(wèi)樸的斗爭下，衛(wèi)樸主持修訂的奉元?dú)v終于在熙寧八年（公元1075年）修成頒行。但是，由于守舊勢(shì)力阻撓和破壞，奉元?dú)v只實(shí)行了十八年就被廢止了。但是沈括并不因此而灰心，在晚年又進(jìn)一步提出了用“十二氣歷”代替原來歷法的主張。我國原來的歷法都是陰陽合歷，而“十二氣歷”卻是純粹的陽歷。它以十二氣作為一年，一年分四季，每季分孟、仲、季三個(gè)月，并且按節(jié)氣定月份，立春那天算一月一日，驚蟄算二月一日，依此類推。大月三十一天，小月三十天，大小月相間，即使有“兩小相并”的情況，不過一年只有一次。有“兩小相并”的，一年共有三百六十五天；沒有的，一年共三百六十六天。這樣，每年的天數(shù)都很整齊，用不著再設(shè)閏月，四季節(jié)氣都是固定的日期。至于月亮的圓缺，和寒來署往的季節(jié)無關(guān)，只要在歷書上注明“朔”、“望”就行了。沈括所設(shè)計(jì)的這個(gè)歷法是比較科學(xué)的，它既符合天體運(yùn)行的實(shí)際，也有利于農(nóng)業(yè)活動(dòng)的安排。他預(yù)見到他的這一主張必定會(huì)遭到守舊派的“怪怒攻罵”，極力阻撓，而暫時(shí)不能實(shí)行，但是，他堅(jiān)信“異時(shí)必有用予之說者”。果然，八百年后，農(nóng)民革命政權(quán)——太平天國所頒行的天歷的基本原理和沈括的“十二氣歷”是完全一致的。世界各國采用的公歷，也就是陽歷，其實(shí)在分月上還不如沈括的“十二氣歷”合理。

數(shù)理化
　　《夢(mèng)溪筆談》中所記載這方面的見解和成果，涉及力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。他對(duì)磁學(xué)的研究在《夢(mèng)溪筆談》中第一次明確地談到磁針的偏角問題。在光學(xué)方面，沈括通過觀察實(shí)驗(yàn)，對(duì)小孔成像、凹面鏡成象、凹凸鏡的放大和縮小作用等作了通俗生動(dòng)的論述。他對(duì)我國古代傳下來的所謂“透光鏡”（一種在背面能看到正面圖案花紋的銅鏡）的透光原因也做了一些比較科學(xué)的解釋，推動(dòng)了后來對(duì)“透光鏡”的研究。此外，沈括還剪紙人在琴上做過實(shí)驗(yàn)，研究聲學(xué)上的共振現(xiàn)象。沈括還是最早發(fā)現(xiàn)地理南北極與地磁場的N，S極并不重合，所以水平放置的小磁針指向跟地理的正南北方向之間有一個(gè)很小的偏角。被稱為磁偏角。
　　化學(xué)成就：在化學(xué)方面，沈括在出任延州時(shí)候曾經(jīng)考察研究漉延境內(nèi)的石油礦藏和用途。他利用石油不容易完全燃燒而生成炭黑的特點(diǎn)，首先創(chuàng)造了用石油炭黑代替松木炭黑制造煙墨的工藝。他注意到石油資源豐富，“生于地中無窮”，預(yù)料到“此物后必大行于世”，這一遠(yuǎn)見已被驗(yàn)證。另外，“石油”這個(gè)名稱也是沈括首先使用的，比以前的石漆、石脂水、猛火油、火油、石腦油、石燭等名稱都貼切得多。在《夢(mèng)溪筆談》中有關(guān)“太陰玄精”（石膏晶體”的記載里，沈括形狀、潮解、解理和加熱失水等性能的不同區(qū)分出幾種晶體，指出它們雖然同名，卻并不是一種東西。他還講到了金屬轉(zhuǎn)化的實(shí)例，如用硫酸銅溶液把鐵變成銅的化學(xué)現(xiàn)象。他記述的這些鑒定物質(zhì)的手段，說明當(dāng)時(shí)人們對(duì)物質(zhì)的研究已經(jīng)突破單純表面現(xiàn)象的觀察，而開始向物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探索進(jìn)軍了。
　　數(shù)學(xué)成就：沈括在從實(shí)際計(jì)算需要出發(fā)，創(chuàng)立了“隙積術(shù)”和“會(huì)圓術(shù)”。沈括通過對(duì)酒店里堆起來的酒壇和壘起來的棋子等有空隙的堆體積的研究，提出了求它們的總數(shù)的正確方法，這就是“隙積術(shù)”，也就是二階等差級(jí)數(shù)的求和方法。沈括的研究，發(fā)展了自《九章算術(shù)》以來的等差級(jí)數(shù)問題，在我國古代數(shù)學(xué)史上開辟了高階等差級(jí)數(shù)研究的方向。此外，沈括還從計(jì)算田畝出發(fā)，考察了圓弓形中弧、弦和矢之間的關(guān)系，提出了我國數(shù)學(xué)史上第一個(gè)由弦和矢的長度求弧長的比較簡單實(shí)用的近似公式，這就是“會(huì)圓術(shù)”。這一方法的創(chuàng)立，不僅促進(jìn)了平面幾何學(xué)的發(fā)展，而且在天文計(jì)算中也起了重要的作用，并為我國球面三角學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

醫(yī)學(xué)地理
　　沈括在地學(xué)方面反映了中國當(dāng)時(shí)地學(xué)已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)水平。他正確論述了華北平原的形成原因：根據(jù)河北太行山山崖間有螺蚌殼和卵形礫石的帶狀分布，推斷出這一帶是遠(yuǎn)古時(shí)代的海濱，而華北平原是由黃河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所攜帶的泥沙沉積而形成的。當(dāng)他察訪浙東的時(shí)候，觀察了雁蕩山諸峰的地貌特點(diǎn)，分析了它們的成因，明確地指出這是由于水流侵蝕作用的結(jié)果。他還聯(lián)系西北黃土地區(qū)的地貌特點(diǎn)，做了類似的解釋。他還觀察研究了從地下發(fā)掘出來的類似竹筍以及桃核、蘆根、松樹、魚蟹等各種各樣化石，明確指出它們是古代動(dòng)物和植物的遺跡，并且根據(jù)化石推論了古代的自然環(huán)境。這些都表現(xiàn)了沈括可貴的唯物主義思想。在歐洲，直到文藝復(fù)興時(shí)期，意大利人達(dá)·芬奇對(duì)化石的性質(zhì)開始有所論述，卻仍比沈括晚了四百多年。沈括視察河北邊防的時(shí)候，曾經(jīng)把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立體地理模型。這個(gè)做法很快便被推廣到邊疆各州。熙寧九年（公元1076年），沈括奉旨編繪《天下州縣圖》。他查閱了大量檔案文件和圖書，經(jīng)過近二十年的堅(jiān)持不懈的努力，終于完成了我國制圖史上的一部巨作——《守令圖》。這是一套大型地圖集，共計(jì)二十幅，其中有大圖一幅，高一丈二尺，寬一丈；小圖一幅；各路圖十八幅（按當(dāng)時(shí)行政區(qū)劃，全國分做十八路）。圖幅之大，內(nèi)容之詳，都是以前少見的。在制圖方法上，沈括提出分率、準(zhǔn)望、互融、傍驗(yàn)、高下、方斜、迂直等九法，這和西晉．裴秀著名的制圖六體是大體一致的。他還把四面八方細(xì)分成二十四個(gè)方位，使圖的精度有了進(jìn)一步提高，為中國古代地圖學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)。
　　沈括對(duì)醫(yī)藥學(xué)和生物學(xué)在青年時(shí)期就對(duì)醫(yī)學(xué)有濃厚興趣，并且致力于醫(yī)藥研究，搜集了很多驗(yàn)方，治愈過不少危重病人。同時(shí)他的藥用植物學(xué)知識(shí)也十分廣博，并且能夠?qū)嶋H出發(fā)，辨別真?zhèn)危m正古書上的錯(cuò)誤。他曾經(jīng)提出“五難”新理論；沈括的醫(yī)學(xué)著作有《沈存中良方》（得稱《良方》）等三種?，F(xiàn)存的《蘇沈良方》是后人把蘇軾的醫(yī)藥雜說附入《良方》之內(nèi)合編而成的，現(xiàn)有多種版本行世。
　　《夢(mèng)溪筆談》及《補(bǔ)筆談》中，都有涉獵醫(yī)學(xué)，如提及秋石之制備，論及四十四種藥物之形態(tài)、配伍、藥理、制劑、采集、生長環(huán)境等。

軍事方面
　　沈括，不僅在科學(xué)上取得了成績，而且為保衛(wèi)北宋的疆土也做出過貢獻(xiàn)。北宋時(shí)期，階級(jí)矛盾和民族矛盾都十分尖銳。遼和西夏貴族統(tǒng)治者經(jīng)常侵?jǐn)_中原地區(qū)，擄掠人口牲畜，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來很大破壞。沈括堅(jiān)定地站在主戰(zhàn)派一邊，在熙寧七年（公元1074年）擔(dān)任河北西路察訪使和軍器監(jiān)長官期間，他攻讀兵書，精心研究城防、陣法、兵車、兵器、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)等軍事問題，編成《修城法式條約》和《邊州陣法》等軍事著作，把一些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成功地應(yīng)用在軍事科學(xué)上。沈括對(duì)弓弩甲胄和刀槍等武器的制造也都作過研究，為提高兵器和裝備的質(zhì)量做出了一定貢獻(xiàn)。

早年經(jīng)歷
　　宋仁宗天圣九年（1031年），沈括出生于浙江錢塘（今杭州市）沈氏家族，祖父沈曾慶曾任大理寺丞，父親沈周、伯父沈同均為進(jìn)士。沈括自幼勤奮好學(xué)，十四歲就讀完了家里的藏書，并隨父親宦游州縣，到過泉州、潤州、簡州和汴京等地，接觸社會(huì)，增長見識(shí)，表現(xiàn)出對(duì)大自然的強(qiáng)烈興趣和敏銳觀察力。

　　沈括自幼體弱，加上讀書十分用功，經(jīng)常需要服食中藥調(diào)理。錢塘沈氏在醫(yī)藥學(xué)頗有建樹，有家傳藥學(xué)書籍《博濟(jì)方》，受家庭影響，沈括也從搜集醫(yī)方開始鉆研醫(yī)學(xué)。

　　皇祐二年（1050年），沈周知明州（寧波），沈括借居蘇州母舅家，從舅舅許洞的著作與藏書中得益甚多，開始對(duì)軍事產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。

步入仕途
　　皇祐三年（1051年），父親沈周去世；至和元年（1054年），沈括以父蔭入仕，任海州沭陽縣主簿，遂治理沭水，開發(fā)農(nóng)田，頗有政績。工程結(jié)束后，沈括辭去職務(wù)，來到哥哥沈披在任的寧國縣，準(zhǔn)備科舉考試。嘉祐六年（1061年），沈披主持蕪湖萬春圩工程，沈括有治水經(jīng)驗(yàn)，遂獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策并作了詳細(xì)記錄。

　　嘉祐八年（1063年），沈括進(jìn)士及第，因排名在前六名之外，按制守選。次年，沈括守選期滿，授揚(yáng)州司理參軍，負(fù)責(zé)一州刑獄。

　　治平二年（1065年），經(jīng)淮南路轉(zhuǎn)運(yùn)使張蒭推薦，沈括被調(diào)入京師，編校昭文館書籍，參與詳訂渾天儀，并在閑暇研究天文歷法之學(xué)。熙寧元年（1068年），沈括升任館閣?？保袡C(jī)會(huì)接觸皇家藏書，進(jìn)一步充實(shí)自己的學(xué)識(shí)。八月，母親病逝，沈括辭官護(hù)送靈柩回錢塘。

參與變法
　　熙寧四年（1071年），沈括守喪期滿，進(jìn)京述職，得到神宗和王安石的器重，被任為檢正中書刑房公事。

　　熙寧五年（1072年），沈括奉命主持汴河疏浚工程，七月，加官史館檢討。按照慣例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏員常借此修建園林、謀取私利。沈括便考察南郊大禮的歷史沿革，撰成《南郊式》 ，被任命掌管郊祀事務(wù)。沈括按照新禮儀辦事，所省費(fèi)用數(shù)以萬計(jì)，神宗十分滿意。

　　八月，淮南饑荒，沈括受命巡察，發(fā)放常平倉錢糧，疏通河渠，修治荒田，取得明顯成效，升任集賢校理，巡察兩浙農(nóng)田水利。兩浙水利工程規(guī)模浩大，沈括建議出錢雇用饑民興建水利，得到神宗的贊同。九月，沈括升任太子中允、提舉司天監(jiān)。當(dāng)時(shí)的日官都是些庸碌之人，對(duì)天文幾乎全然不知。沈括遂改革機(jī)構(gòu)，改進(jìn)儀器，召請(qǐng)衛(wèi)樸修造新歷法，并向全國征集觀測(cè)天象的書籍。

　　十一月，朝廷登記民間車輛，市易司打算填封私井以阻止四川私販井鹽，民議紛紛。沈括進(jìn)言：民間都是太平車，不利于機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)；小鹽井很多，填封私井勢(shì)必要加強(qiáng)警戒，得不償失。神宗贊同，次日詔停此二事，擢升沈括為知制誥、兼管通進(jìn)、銀臺(tái)司。

　　熙寧七年（1074年）八月，沈括調(diào)任河北西路察訪使，提舉河北西路義勇、保甲公事。河北西路地處北疆，沈括上任后，將工作重點(diǎn)放在改革軍政和鞏固國防上。次年二月返京后，沈括上疏，提出三十一條整改意見，多數(shù)都被神宗肯定與采納。九月，沈括兼任判軍器監(jiān)，負(fù)責(zé)兵器的鑄造與儲(chǔ)備。沈括對(duì)弓有很深的研究，提出“弓有六善”的觀點(diǎn)，并建議大批制造“神臂弓”。到次年五月，軍器監(jiān)上報(bào)朝廷時(shí)，兵器產(chǎn)量提高了十幾倍。

　　熙寧八年（1075年）二月，沈括奉命修訂“九軍戰(zhàn)法”，分九軍為九營，各自為陣，背背相承，面面相向，靈活多變，名之為“邊州陣法”。九月，編撰城壘、軍營等建筑的營造法式。

出使遼國
　　熙寧八年（1075年）三月，宋遼邊界沖突，遼要求以黃嵬山為分界線，宋廷不同意。遼使蕭禧到汴京，指責(zé)宋廷談判不誠，拖而不決，留在館舍不肯離去。沈括就到樞密院查閱以前的檔案文件，發(fā)現(xiàn)宋遼過去商定的協(xié)議是以古長城為界，而黃嵬山在古長城以南，相距有三十里之遙，遂上表呈報(bào)朝廷。神宗賞賜沈括白金一千兩，讓他以回謝使的身份出使遼國。

　　四月中旬，沈括從汴京出發(fā)時(shí)，預(yù)先找出相關(guān)書信檔案數(shù)十件，讓幕僚和吏員背熟。契丹宰相楊益戒每有問題提出，沈括就讓手下吏員列舉檔案條文作答。談判先后進(jìn)行六次，楊益戒無言可對(duì)，就威脅說，以數(shù)里之地、絕兩國之好，不利于和平。沈括以國之道義、民之根本為理由，申明寸土不讓。在沈括一行力爭下，遼廷最終有所退讓，緊張的宋遼關(guān)系得以暫時(shí)緩解。

　　七月，沈括起程回國，據(jù)沿途地理形勢(shì)、風(fēng)俗民情畫撰為《使契丹圖抄》，獻(xiàn)給朝廷。因出使有功，沈括被提拔為淮南、兩浙災(zāi)傷州軍體量安撫使；十月，權(quán)發(fā)遣三司使。次年十月，拜為翰林學(xué)士、權(quán)三司使。

彈劾被貶
　　熙寧九年（1076年）十月，王安石罷相，吳充繼任同中書門下平章事。沈括到丞相府匯報(bào)政務(wù)，吳充問及免役法，沈括建議減免窮人的役錢，吳充贊同并上疏匯報(bào)給神宗。十一月，沈括再次上書要求減免下戶役錢，并建議朝廷將舊有的差役法和現(xiàn)行的免役法有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)行“差雇并行”。沈括的這個(gè)觀點(diǎn)是在王安石罷相后才提出的，對(duì)免役法的態(tài)度前后出現(xiàn)了微妙的變化，這就給反對(duì)他的人提供了口實(shí)。

　　熙寧十年（1077年），侍御史蔡確以依附大臣（吳充）、越權(quán)言事（免役法歸司農(nóng)寺負(fù)責(zé)）、前后態(tài)度不一等理由彈劾沈括。七月，沈括被罷去三司使、翰林學(xué)士，貶為起居舍人、集賢院學(xué)士、知宣州。

　　元豐元年（1078年），神宗打算起用沈括為知制誥、知潭州，蔡確再次上書，指責(zé)沈括“反復(fù)無常、附會(huì)大臣，被貶不足一年，不宜擢升”，詔命被撤回。元豐二年（1079年）七月，沈括復(fù)職龍圖閣待制、知審官院。

戍守西夏
　　元豐三年（1080年），沈括改知延州，兼任鄜延路經(jīng)略安撫使，抵御西夏。到了延州，沈括以朝廷所賜之錢買酒，召集邊民子弟開展騎馬射箭活動(dòng)，并親自給優(yōu)勝者敬酒祝賀，邊境百姓群情踴躍?；顒?dòng)持續(xù)了一年，沈括從中選拔出精銳之士，充實(shí)到邊防部隊(duì)，延州軍隊(duì)的聲威遠(yuǎn)超其他州府。

　　元豐四年（1081年）十月，蕃部數(shù)萬人進(jìn)攻邊關(guān)要塞順寧寨，沈括派少將景思誼、屈理帶三千兵馬進(jìn)攻蕃軍；接著命前鋒李達(dá)領(lǐng)千人出擊，攜帶十萬人的軍糧，宣稱鄜延路總帥沈括將親自率軍督戰(zhàn)。蕃兵不知虛實(shí)，軍心渙散。宋軍乘勢(shì)進(jìn)攻，攻下磨崖寨，得男女萬人，牛羊三萬。

　　十一月，奉命西討的河?xùn)|兵十二將率軍東還，經(jīng)過鄜延，沈括抓住時(shí)機(jī)，命部將在綏德城炫耀武力，聲稱宋廷已任命沈括兼領(lǐng)河?xùn)|十二將的兵力，不日即興兵西討。駐守的西夏軍聞?dòng)嵡皝泶蛱?，果見大?duì)人馬聚集，聲勢(shì)浩大，信以為真，連夜棄城而逃。沈括兵不血刃的拿下了浮圖、吳堡、義合。

　　元豐五年（1082年）二月，沈括以“守安疆界、就副邊事有勞”，升為龍圖閣學(xué)士。四月，西夏打算以金湯城為據(jù)點(diǎn)，招兵買馬，攻打鄜延。沈括采取聲東擊西的戰(zhàn)術(shù)，派副總管曲珍率軍兩萬進(jìn)軍東川，揚(yáng)言要去攻打葭蘆，吸引西夏兵力布防，趁機(jī)攻下金湯。接著，沈括又用同樣的策略攻下了葭蘆。

兵敗永樂
　　元豐五年（1082年）五月，沈括與副使種諤奉詔條陳制夏方略，提出進(jìn)取橫山以筑城、以地理優(yōu)勢(shì)直接威脅西夏的戰(zhàn)略主張，宋廷派給事中徐禧前往鄜延路節(jié)制軍事，共同申議。七月，沈括建議筑城石堡、種諤提議銀州、徐禧主張永樂埭，終定為永樂城。八月，神宗降詔徐禧總領(lǐng)筑城事宜，命沈括將帥府移到邊界，以接濟(jì)軍用物資和救援。十四日后筑成，徐禧令景思誼領(lǐng)四千人鎮(zhèn)守，率余部返回米脂。

　　九月九日，西夏出兵三十萬攻永樂城，曲珍忙報(bào)知徐禧，徐禧統(tǒng)兵兩萬五千往援，令沈括留守米脂。由于兵力相差懸殊，宋軍失利，夏軍乘勝圍城，截?cái)嗨?，永樂城危在旦夕。沈括率兵一萬前去支援，被夏軍阻在永定河岸；又羌兵八萬襲擊綏德，沈括權(quán)衡利弊，決定舍永樂而保綏德。種諤因反對(duì)筑永樂城遭徐禧排擠，心懷舊恨，遂以守延州為名拒絕出兵解圍。九月二十日，永樂城失陷，徐禧、李稷、高永能、李舜舉等殉國，折官兩百三十人，損兵一萬兩千有余（永樂城之戰(zhàn)），謀取橫山的計(jì)劃宣告失敗。

　　沈括作為一路帥臣，在明知永樂城“路險(xiǎn)而遠(yuǎn)、不利協(xié)防與救助；且地理位置險(xiǎn)要，敵軍必爭”的情況下，不堅(jiān)持己見，而選擇迎合徐禧，對(duì)永樂城之?dāng)∮胁豢赏菩兜呢?zé)任。

歸隱夢(mèng)溪
　　元豐五年（1082年）十月十七日，宋廷以沈括“議筑永樂城，敵至卻應(yīng)對(duì)失當(dāng)”為由，貶為筠州團(tuán)練副使，隨州安置。沈括到隨州后，寓居于法云禪寺，無親無故，且行動(dòng)受到很大限制。隨州的三年是沈括一生中最憂傷、灰暗的時(shí)期，他開始重新審視自己的政治生涯，甚至對(duì)從政萌生出一絲“悔意”。

　　元豐八年（1085年）三月，神宗駕崩，太子趙煦繼位，是為宋哲宗，大赦天下。沈括也得以內(nèi)遷，改任秀州團(tuán)練副使，本州安置、不得簽書本州公事。秀州地處江南，毗鄰故鄉(xiāng)杭州，沈括的心情得以從頹廢中好轉(zhuǎn)起來，遂專心于學(xué)問，開始整理熙寧九年奉旨編繪的《天下郡縣圖》。

　　元祐三年（1088年）八月，沈括編訂完成《天下郡縣圖》，被特許到汴京進(jìn)呈。哲宗賜絹百匹，準(zhǔn)許沈括在秀州境內(nèi)自由行動(dòng)。

　　元祐四年（1089年）九月，沈括改任朝散郎、守光祿少卿、分司南京，準(zhǔn)于外州居住。接到詔命后，沈括就舉家搬遷至早年在潤州購置的夢(mèng)溪園，在此隱居，創(chuàng)作《夢(mèng)溪筆談》。

　　紹圣二年（1095年），沈括因病辭世，享年六十五歲。