有抱负的沈括
沈括幼年受母亲的教育，又接受儒家正统派孟子思想的熏陶，对“仁政”“井田”一类学说很有兴趣，推崇至极。沈括的父亲沈周，长期在外做小官。沈周以前，除了沈括的曾祖父曾经做过大理寺丞外，沈氏家族几乎再没有人出来做官。沈括对人提起自己的家世时，都称是出自寒门。
沈括有自己的抱负，他孜孜不倦，认真苦干，不避寒暑风雨，努力完成任务。在那里，他大兴有益农业生产的水利事业，还经历过县民反抗官府的斗争。斗争爆发后，官府吓得手忙脚乱，急忙调开县令，叫沈括代替他收拾残局。沈括奉命之后，便小心谨慎地执行安抚政策，撤销了一些束缚人的无理禁约，博得县民好感，一场风波，才缓和下去。
兴修水利，整治沭水，是他早期从政的一项重要活动。沭水是沭阳境内的主河，常与沂水并称。沈括到这儿做官时，沭水已是年久失修，附近地区，经常遭受水灾威胁。他虽官职卑小，却以具有远见的政治眼光，着手进行局部的改革，整治沭水。据史料记载，全部治沭工程，包括新筑大堤两道，疏导河身及“百渠九堰”。经数万民夫的修筑，沭水的整治顺利完工，并获得了良好的效果，新整农田7000顷，沭阳面貌也焕然一新。
沈括初入仕途，锋芒小试，便这般崭露头角，可算是一个出类拔萃的人物了。继整治沭水之后，沈括又在宁国任职期间，参加了修治圩田的工程。继而又提倡和推广这种良好的水田，显示出他对水利科学理论有深刻造诣。
务实的改革家
1063年，沈括举进士及第，便出任扬州司理参军。后又入京编校昭文馆书籍，从此他开始研究天文。他结合农业生产实践中积累的经验，加上自己的缜密观测，很快就在天文研究中获得深湛的成就，被宋神宗指派兼任提举司天监，正式做了管理天文的职官。沈括上任后即实行改革，推荐有真才实学的平民卫朴主持修订历法工作，他自己则集中精力，制造一套新的观象仪器。
经沈括改进制作的新浑仪，无论在尺度、黄赤道、天常环、月道、规环等方面，都进行了大胆的改革。他还制造了新的浮漏、测日影的铜表等，并将其设计原理，写成著名的《浑仪》《浮漏》《景表》3篇科学论文。虽然它是用来说明仪器的，但里面综合了沈括的天文学说，成为我国科技史上的重要文献。由于沈括思想倾向于革新派，很自然地参与了著名的王安石变法运动，并参加了王安石农田水利法的重点项目——疏浚和测量汴渠。沈括的测量工作，为日后汴洛运河的修成起了重要的作用，这将既畅通漕运，又肥沃两岸的田地。
1073年沈括又由王安石保举，到江浙处理水利工程的善后工作。他在那里招募饥民来兴修常州、润州的水利，疏浚苏州、秀州的湖泊与泾浜。他还在苏州筑岸围田，在沿海筑堤围田，对江浙农业的发展，发挥了积极作用。
沈括在这一时期，还站在维护改革的立场，在政治、经济、军事、外交等方面积极从事务实工作，做出了许多实绩，但也得罪了保守派和打着革新旗号的政治投机者。随着王安石变法的失败和一次军事指挥的失利，沈括也受到不公正的处分，从而结束了他的政治生涯。此后，沈括曾到随州（今湖北随县）的法云禅寺度过三个寒暑，后移居秀州（今浙江嘉兴）。晚年在润州购置田园，取名梦溪园，过着读书写作、颐养天年的隐居生活。梦溪园里面屹立着一座小山，满山覆盖着花草，灿烂得好像锦绣一般。沈括的居室在繁花丛中。室的西端，花竹环绕着的是他日常休憩所在的壳轩。轩下有花堆阁，花堆尽处有茅舍，茅舍后有苍峡亭，临亭下望，就是那潺潺的梦溪。在梦溪园居住的日子里，沈括将平日的见闻谈论，编写成文字，汇集成一本综合性著作，这就是被后人称做“中国科学史上的坐标”的巨著——《梦溪笔谈》。
科学通才和《梦溪笔谈》
沈括不仅多才多艺，而且在几十年的社会实践中，接触了许多有学识的人、能工巧匠和广大劳动人民，见到不少发明创造。他善于在总结众人经验的基础上刻苦坚持科学研究，成为科学上的通才。《梦溪笔谈》的内容不仅涉及范围很广，而且所记载的科学技术知识，反映了那时的先进水平，所以被科技史家李约瑟称做“中国科学史上的坐标”。
《梦溪笔谈》除了记载了沈括从事的科学活动及其成果外，还记录了许多别的科学家技术家研究的成果。例如卫朴的历算学，毕昇的活字印刷，孙彦先的虹的成因说，李元规的天气预测等等，都被他严肃认真地、科学地报道出来，成为珍贵的科技史料。其中关于毕昇发明活字印刷的记录就是突出的一例，已为大家所熟知，还被选作中学语文课文。沈括的记录，从造字、排版到印刷，首尾完备，不但使我们知道毕昇在印刷技术上的这一大革新，是一种和现代铅字排印原理相同的巨大进步，而且又为后人在这方面的仿效与改进提供了启示。
沈括认为四时季节的产生，主要是节气的变化使然，和月的盈亏无关。他认为，当时的历法专门以朔定月，节气反而降到不重要地位，这是不合理的。他基于此而提出一种崭新的历法。该历法是一个纯粹的阳历，比公认的现行的公历《格里历》还要合乎理想。现在英国气象局统计农业气候和生产所用的《萧讷伯历》，也就是采取和沈括相同主张的一种历法。沈括当时能够不顾众议，大胆创立、提倡新说，并且相信日后一定可以实行，其坚持真理的精神，是值得后人敬仰的。
沈括对物理学的研究成果也是丰硕的。《梦溪笔谈》中所载的物理知识，包括力学、光学、声学、热学、磁学等，在我国物理学史中，闪烁着耀眼的光彩。其中，他的磁学研究，已为我们所熟悉。他不仅写下了磁针的记录，而且认识到磁石的两极性。他还是已知的世界上第一个发现地磁场存在磁偏角的人。在光学方面，他对光的直线传播和凹面镜成像给以形象化的解释。关于凸面镜成像大小的论述，对我国古代制镜技工创造的镜背花纹文字能够在太阳照射时反射到墙壁上的“透光镜”，提出了新的解释。沈括还研究了声学上的共振现象，通过拨动一架古琴的琴弦，使另一架古琴上的小纸人跟着跳动的实验，证明一个发声体的振动，能引起频率相同的发声体的“应声”（共振）。
《梦溪笔谈》中关于指南针的记载也经常被人们所提及。沈括用简短的文字，记载了当时几种不同的指南仪，有浮在水面上的磁针，搁在指甲上的磁针，搁在碗边上的磁针，还有用丝线悬挂的磁针。说明11世纪我国人民已懂得使用针形指南器，接近于近代罗盘针的构造。又如在农业技术方面，《梦溪笔谈》总结了不少农民的种植经验。其中有一首当时的种竹口诀：“栽竹无时，下雨便移，多留宿土，记取南枝。”这个宝贵的生产经验，受到后人的重视，世代传授推行。再如，关于冶炼技术，沈括在《梦溪笔谈》里面先后记载了金属的“热作”和“冷作”加工的操作过程。从中我们可以知道，当时在炼钢技术方面，已经掌握了“团钢”“灌钢”的技巧，以及柔铁包生铁锻打器物的技术。
沈括在《梦溪笔谈》一书中，论述了古代测定天体的浑仪和古代表示天体现象的浑象两种天文仪器的不同，对传统的周天365度的划分，黄道、赤道和月有九道的道理，都有所解释和辩论。这些，都为古代天文学作出了重要贡献。沈括的新历法是保存在他晚年著的《补笔谈》里的一篇短论文中，是我国天文学史上的宝贵文献。在这篇短文中，首先讨论了置闰和气朔不正的问题，从而肯定了事物运动变化的规律。他反对盲从古人，认为学术在不断发展，不应停留在前人的水平上。其次，他叙述了历法中出现“气朔相争”的现象，并对形成这种现象的原因，进行了科学探讨。
在炼铜方面，他记载了劳动人民用铁在胆矾（硫酸铜）中取铜的技术。在地理学方面，《梦溪笔谈》中记录了“三江”的考释，楚国郢都地理方位，漳水、洛水得名由来等事项，还记载了鄜延（今延安）境内人民用雉尾采沾石油的方法，成为经济地理和采矿方面的一条珍贵史料。
此外，《梦溪笔谈》中还有52条有关生物科学和动植物的记录，该书和沈括的其他著述中还阐述了他的医疗理论，沈括不愧是一位多才多艺的科学通才。