沈括做过海州沭阳县（今年在今江苏省）主簿，并历任东海（在今江苏省）、宁国（在今安徽省）、宛丘（今河南省淮阳县）等县县令。三十三岁考中進士。三年后，被推荐到京师昭文馆编校书籍，在这里他开始研究天文历算。宋神宗熙宁五年（公元１０７２年），兼任提举司天监，职掌观测天象，推算历书。接着，沈括又担任了史馆检讨，熙宁六年（公元１０７３年）做集贤院校理 。
哲宗元二年（公元１０８７年），沈括花二十年编修的《天下州县图》完成。次年，他定居于润州（今江苏省镇江）梦溪园。
沈括学识渊博，在很多方面取得了成就。
在农业和水利方面，沈括撰写了《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。
沈括是一个杰出的天文学家。熙宁五年（公元１０７２年），沈括负责任职司天监，改進了浑仪（测量天体方位的仪器）、浮漏和影表等旧式的天文观测仪器。还制造了测日影的圭表，改進了测影方法，并将之写成《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》等三篇文章，成为中国天文学史上的重要文献。
在晚年，沈括提出了用“十二气历”（纯粹的阳历）代替原来的历法（阴阳合历）的主张，这个历法既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。这可以与现在世界各国采用的公历（阳历）媲美。
沈括在数学方面也有精湛的研究。他创立了“隙积术”和“会圆术”。是平面几何学和天文计算的先驱。
沈括对物理学的知识也极其丰富。《梦溪笔谈》中的记载涉及力学、光学、磁学、声学等各个领域，特别是磁学，沈括第一次明确地谈到磁针偏角。他指出：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这是世界上关于地磁偏角的最早记录，西方要到公元１４９２年哥伦布第一次航行美洲的时候才发现，比沈括的发现晚了四百年。
在化学方面，沈括注意到石油资源丰富，“生于地中无穷”，还预言“此物后必大行于世”，这一远见已为今天所验证。“石油”这个名称也是沈括首先使用的。沈括在地学方面也有许多卓越的观点，他明确指出化石是古代动物和植物的遗迹，并且根据化石推论了古代的自然环境。在欧洲，直到四百多年后的文艺复兴时期，意大利人达•芬奇才对化石的性质开始有所论述。
沈括晚年在梦溪园写出了科学巨著《梦溪笔谈》。他一生著作多达几十种，保存到现在的，除《梦溪笔谈》外，仅有综合性文集《长兴集》和医药著作《良方》等少数几部了。
在《梦溪笔谈》一书中。这部以笔记体裁形式写成的科学著作，除上面谈到的几方面之外，内容还包括考古、语言、史学、文学、音乐、绘画以及财政、经济等等，从自然科学到社会科学，应有尽有。《梦溪笔谈》原有二十六卷，后来增加《补笔谈》三卷，《续笔谈》一卷，总计三十卷。全书分成十七类，共六百零九条，十几万字，是一部内容十分丰富可以说是集中国前代科学成就之大成的巨著。它在世界文化史上也有重要的地位。
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