化学方面，他首次提出了“石油”这一科学命名，又做了以石油碳黑代替松烟制墨的实验，准确断言“此物必大行于世”。据沈括《梦溪笔谈》记载，信州铅山县有苦泉（硫酸铜溶液、流而成涧。舀取泉水煎熬，就能得到胆矾（硫酸铜，熬制胆矾就能生成铜，熬胆矾的铁锅，日子久了也会变成铜。沈括的这段记录，即湿法炼铜，利用化学置换反应的方式提炼金属。
物理方面，沈括记录了人工磁化的方法，并用人工磁化针来作试验，对指南针进行深入研究。沈括比较了指南针的四种装置方法：水浮法，碗沿法，指甲法和悬丝法，指出悬丝法最优，并做了相应的分析。
磁偏角指地球表面任一点的地磁子午线与地理子午线的夹角，即磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。沈括在世界上最早经实验证明了磁针“能指南，然常微偏东”，即地磁的南北极与地理的南北极并不完全重合，存在磁偏角。这比哥伦布横渡大西洋时发现磁偏角现象早了4多年。
沈括通过观察实验，对小孔成像、凹面镜成像等原理作了准确而生动的描述，他用“碍”（焦点的概念，指出了光的直线传播、凹面镜成像的规律，并把光通过“碍”成像称之为格术，即现代光学中的等角空间变换关系。
沈括还对平面、凹凸面等镜面成像的不同进行研究，注意到表面曲率不同与成像之间的关系，并以此对“古人铸鉴”时正确处理镜面凹凸与成像大小的关系进行了研究与分析，提出若将小平面镜磨凸，就可“全纳人面”。
沈括还对透光铜镜的原理作出了正确推论，推动了后世对“透光镜”的研究。此外，沈括还第一次记录了“红光验尸”的内容，是中国关于滤光应用的最早记载，至今还有现实意义。
沈括通过对声学现象的观察，注意到音调的高低由振动频率决定，并记录下了声音的共鸣现象。他还用纸人来放大琴弦上的共振，形象的说明了应弦共振现象，这比诺布尔和皮戈特的琴弦上纸游码试验早了5年。
沈括还提出了“虚能纳声”的空穴效应，以此来解释兵土用皮革箭袋作枕头，可以听到数里外人马声的原因。此外，沈括还记录并深入分析了制钟的声学问题。
外交方面，熙宁七年（174年，辽国派使臣萧禧出使宋朝，以国界争议为名，提出在蔚（今河北蔚县、应（今山西应县、朔（今山西朔州三州两国边境重新以分水岭划界。
在宋朝内部，大臣们已看出辽国的用意是想侵吞宋朝国土，并借故挑起争端。但满朝大臣议论纷纷，却找不到实锤来拒绝契丹的无理要求。重新划界问题拖而不决，萧禧赖在驿馆不肯回国。
沈括为了搞清两国边境争端的始末，一头扎进枢密院翻阅历史档案，终于发现宋辽两国早年议定的地界图是以古长城为界，而如今争论的黄嵬山一带，距离古长城以南3多里，当然是北宋的领地无疑。宋神宗获悉沈括的新发现后，赞扬沈括说，“微卿无以折边讼”。没有你，我大宋的边境纠纷都搞不定啊。
熙宁八年（175年，出使辽国的沈括一行，与辽国宰相、全权谈判代表杨益戒进行了六轮谈判，吸引了1多人旁听。谈判中，沈括当仁不让，亮明宋朝的底线——黄嵬山一带的国土不容侵犯。杨益戒在事实面前仍拒不承认黄嵬山一带是宋朝领土，甚至威胁说：“数里之地不忍，终绝于好，孰利？”为了区区一个小地方，致使两国维持了几十年的和平友好关系破裂，那就得不偿失呀。
沈括厉声回应：“今北朝利尺寸之土，弃先君之大信，以威用其民，此遗直于我朝，非我朝之不利也。”我大宋爱好和平，但也绝不惧怕战争。如果你们一定要背信弃义，撕毁条约，那就来吧。所谓名不正则言不顺，只怕你们辽国的百姓也未必就喜欢战争。
辽国见沈括气势恢宏，理直气壮，在六轮舌战不占优势的情况下，终于收敛了部分无理要求。但是，一直惧怕“北人生事”的宋神宗却发出指示，按照辽人的意愿划地为界，让沈括的外交成果付诸东流。
水利方面，至和元年（154年，沈括任海州沭阳县主簿，主持治理沭水的工程，修筑渠堰，不仅解除了当地人民的水灾威胁，而且还开垦出良田七千顷，改变了沭阳的面貌。
嘉祐六年（161年，沈披任安徽宁国县令时，沈括还参与修筑芜湖万春圩的工程，写出《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。
熙宁五年（172年，沈括主持汴河的疏浚工程。为了治理汴河，他亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸八百四十多里河段的地势。用“分层筑堰测量法”测出了河南开封上善门至泗州淮口直线距离42公里之内，水平高差为633米。存世古文献中最早记录水平高程测量的方法、过程和结果的科学家。
医药方面，钱塘沈氏有收集药方的传统，受家学传统影响，沈括也注意搜集医方，并汇集成两本医药学著作《良方》和《灵苑方》（早佚，本着为病人负责的精神，沈括收方必“目睹其验”，并将实物与文献对证，对药物名称和功效进行考证，纠正其中的错误。
沈括在医药学上的贡献还表现在：《良方》中详细记述了秋石阴阳二炼法的程序要诀，有论者认为应属世界上最早的“提取留体性激素”的制备法；《梦溪忘怀录》中关于“药石井”的记述，被认为是最早的磁化、矿化水制备法；《梦溪笔谈》中还对一些矿物的药用价值进行了记录，如莽草、天竹黄等。
经济方面，沈括在三司共一年八个月，主要成就有两点：1改革盐钞法。熙宁年间，宋廷采取榷盐政策，对解盐实行官卖，为增加盐税收入，政府不断抬高盐价，各地民怨不断。熙宁九年十一月，沈括奉诏改革盐法，提出四点整改意见：限定印钞数量、统一池盐东西路价格、制钞权收归三司，各地方统一盐价。2改革铸铜法。神宗时，钱币铸造达到高峰，钱币的数量也大幅提高，但并不能解决北宋日益严重的钱荒问题。对此沈括提议：稳定盐钞价格，达到以钞代币的目的；增加货币种类，将金银纳入货币流通，可惜神宗并没接受。沈括还提出了“钱利于流”的货币理论。他认为，钱如果藏之不用就是死钱，要使钱增值就必须投放到流通领域。因此沈括主张加速货币流通，通过货币在流通过程中的增值来达到稳定币值的目的，这一发现比西方早很多年。沈括还注意到贸易来往中的顺差和逆差问题，主张根据边境地区的实际情况，通过调节贸易额来达到稳定货币的目的。
军事方面，熙宁七年（174年，沈括在担任河北西路察访使和军器监长官期间，攻读兵书，精心研究城防、阵法、兵车、兵器、战略战术等军事问题，编成《修城法式条约》和《边州阵法》等军事著作，并把一些先进的科学技术成功地应用在军事科学上，为提高兵器和装备的质量做出了一定贡献。
沈括对弓有很深的研究，提出“弓有六善”的观点，并建议大批制造“神臂弓”。到次年五月，军器监上报朝廷时，兵器产量提高了十几倍。
《梦溪笔谈》中有近2个条目与军事有关，记述了沈括亲历的一些战事、古代名将的战例、古代的一些战争攻防手段与策略，如“赫连城”特点介绍、战棚的作用分析等，为后人提供了珍贵的军事研究资料。
艺术方面，沈括是乐律行家，据《宋史‘艺文志》载，沈括还撰写过《乐论》、《乐器图》、《三乐谱》、《乐律》等著作，可惜巳佚。《梦溪笔谈》中与音乐相关的记述有4多条，研究并阐述了古代音乐的音阶理论；记述了沈括对唐宋燕乐的研究心得，如燕乐起源、燕乐二十八调、唐宋大曲的结构和演奏形式、唐宋字谱等；并考证了部分乐器的形制、用材、流布与演变。
沈括在书画收藏与鉴赏方面也是行家。他撰写过《图画歌》，用歌诗的方式，对两晋至宋代5多位名画家的作品及风格进行品评，语言精练、视角独到，得到了著名书画家米芾等人的高度评价。
据《宋史·艺文志》记载，沈括的著述有22种155卷。除《梦溪笔谈》外，还有综合性文集《长兴集》《志怀录》《清夜录》，医药著作《良方》（与苏轼所撰的《苏学士方》并称为《苏沈良方》，科学著作《浑仪议》《浮漏议》《景表议》《熙宁奉元历》《圩田五说》《万春圩图记》《天下郡县图》《南郊式》《诸敕格式》《营阵法》，音乐类著作《乐论》《乐律》《乐器图》等，但存世较少。