化學方麵，他首次提出了“石油”這一科學命名，又做了以石油碳黑代替鬆煙製墨的實驗，準確斷言“此物必大行於世”。據沈括《夢溪筆談》記載，信州鉛山縣有苦泉（硫酸銅溶液）、流而成澗。舀取泉水煎熬，就能得到膽礬（硫酸銅），熬製膽礬就能生成銅，熬膽礬的鐵鍋，日子久了也會變成銅。沈括的這段記錄，即濕法煉銅，利用化學置換反應的方式提煉金屬。
物理方麵，沈括記錄了人工磁化的方法，並用人工磁化針來作試驗，對指南針進行深入研究。沈括比較了指南針的四種裝置方法：水浮法，碗沿法，指甲法和懸絲法，指出懸絲法最優，並做了相應的分析。
磁偏角指地球表麵任一點的地磁子午線與地理子午線的夾角，即磁針靜止時，所指的北方與真正北方的夾角。沈括在世界上最早經實驗證明了磁針“能指南，然常微偏東”，即地磁的南北極與地理的南北極並不完全重合，存在磁偏角。這比哥倫布橫渡大西洋時發現磁偏角現象早了400多年。
沈括通過觀察實驗，對小孔成像、凹麵鏡成像等原理作了準確而生動的描述，他用“礙”（焦點）的概念，指出了光的直線傳播、凹麵鏡成像的規律，並把光通過“礙”成像稱之為格術，即現代光學中的等角空間變換關係。
沈括還對平麵、凹凸麵等鏡麵成像的不同進行研究，注意到表麵曲率不同與成像之間的關係，並以此對“古人鑄鑒”時正確處理鏡麵凹凸與成像大小的關係進行了研究與分析，提出若將小平麵鏡磨凸，就可“全納人麵”。
沈括還對透光銅鏡的原理作出了正確推論，推動了後世對“透光鏡”的研究。此外，沈括還第一次記錄了“紅光驗屍”的內容，是中國關於濾光應用的最早記載，至今還有現實意義。
沈括通過對聲學現象的觀察，注意到音調的高低由振動頻率決定，並記錄下了聲音的共鳴現象。他還用紙人來放大琴弦上的共振，形象的說明了應弦共振現象，這比諾布爾和皮戈特的琴弦上紙遊碼試驗早了500年。
沈括還提出了“虛能納聲”的空穴效應，以此來解釋兵土用皮革箭袋作枕頭，可以聽到數裡外人馬聲的原因。此外，沈括還記錄並深入分析了製鐘的聲學問題。
外交方麵，熙寧七年（1074年），遼國派使臣蕭禧出使宋朝，以國界爭議為名，提出在蔚（今河北蔚縣）、應（今山西應縣）、朔（今山西朔州）三州兩國邊境重新以分水嶺劃界。
在宋朝內部，大臣們已看出遼國的用意是想侵吞宋朝國土，並借故挑起爭端。但滿朝大臣議論紛紛，卻找不到實錘來拒絕契丹的無理要求。重新劃界問題拖而不決，蕭禧賴在驛館不肯回國。
沈括為了搞清兩國邊境爭端的始末，一頭紮進樞密院翻閱曆史檔案，終於發現宋遼兩國早年議定的地界圖是以古長城為界，而如今爭論的黃嵬山一帶，距離古長城以南30多裡，當然是北宋的領地無疑。宋神宗獲悉沈括的新發現後，讚揚沈括說，“微卿無以折邊訟”。沒有你，我大宋的邊境糾紛都搞不定啊。
熙寧八年（1075年），出使遼國的沈括一行，與遼國宰相、全權談判代表楊益戒進行了六輪談判，吸引了1000多人旁聽。談判中，沈括當仁不讓，亮明宋朝的底線——黃嵬山一帶的國土不容侵犯。楊益戒在事實麵前仍拒不承認黃嵬山一帶是宋朝領土，甚至威脅說：“數裡之地不忍，終絕於好，孰利？”為了區區一個小地方，致使兩國維持了幾十年的和平友好關係破裂，那就得不償失呀。
沈括厲聲回應：“今北朝利尺寸之土，棄先君之大信，以威用其民，此遺直於我朝，非我朝之不利也。”我大宋愛好和平，但也絕不懼怕戰爭。如果你們一定要背信棄義，撕毀條約，那就來吧。所謂名不正則言不順，隻怕你們遼國的百姓也未必就喜歡戰爭。
遼國見沈括氣勢恢宏，理直氣壯，在六輪舌戰不占優勢的情況下，終於收斂了部分無理要求。但是，一直懼怕“北人生事”的宋神宗卻發出指示，按照遼人的意願劃地為界，讓沈括的外交成果付諸東流。
水利方麵，至和元年（1054年），沈括任海州沭陽縣主簿，主持治理沭水的工程，修築渠堰，不僅解除了當地人民的水災威脅，而且還開墾出良田七千頃，改變了沭陽的麵貌。
嘉祐六年（1061年），沈披任安徽寧國縣令時，沈括還參與修築蕪湖萬春圩的工程，寫出《圩田五說》、《萬春圩圖書》等關於圩田方麵的著作。
熙寧五年（1072年），沈括主持汴河的疏浚工程。為了治理汴河，他親自測量了汴河下遊從開封到泗州淮河岸八百四十多裡河段的地勢。用“分層築堰測量法”測出了河南開封上善門至泗州淮口直線距離420公裡之內，水平高差為63.3米。存世古文獻中最早記錄水平高程測量的方法、過程和結果的科學家。
醫藥方麵，錢塘沈氏有收集藥方的傳統，受家學傳統影響，沈括也注意搜集醫方，並彙集成兩本醫藥學著作《良方》和《靈苑方》（早佚），本著為病人負責的精神，沈括收方必“目睹其驗”，並將實物與文獻對證，對藥物名稱和功效進行考證，糾正其中的錯誤。
沈括在醫藥學上的貢獻還表現在：《良方》中詳細記述了秋石陰陽二煉法的程序要訣，有論者認為應屬世界上最早的“提取留體性激素”的製備法；《夢溪忘懷錄》中關於“藥石井”的記述，被認為是最早的磁化、礦化水製備法；《夢溪筆談》中還對一些礦物的藥用價值進行了記錄，如莽草、天竹黃等。
經濟方麵，沈括在三司共一年八個月，主要成就有兩點：①改革鹽鈔法。熙寧年間，宋廷采取榷鹽政策，對解鹽實行官賣，為增加鹽稅收入，政府不斷抬高鹽價，各地民怨不斷。熙寧九年十一月，沈括奉詔改革鹽法，提出四點整改意見：限定印鈔數量、統一池鹽東西路價格、製鈔權收歸三司，各地方統一鹽價。②改革鑄銅法。神宗時，錢幣鑄造達到高峰，錢幣的數量也大幅提高，但並不能解決北宋日益嚴重的錢荒問題。對此沈括提議：穩定鹽鈔價格，達到以鈔代幣的目的；增加貨幣種類，將金銀納入貨幣流通，可惜神宗並沒接受。沈括還提出了“錢利於流”的貨幣理論。他認為，錢如果藏之不用就是死錢，要使錢增值就必須投放到流通領域。因此沈括主張加速貨幣流通，通過貨幣在流通過程中的增值來達到穩定幣值的目的，這一發現比西方早很多年。沈括還注意到貿易來往中的順差和逆差問題，主張根據邊境地區的實際情況，通過調節貿易額來達到穩定貨幣的目的。
軍事方麵，熙寧七年（1074年），沈括在擔任河北西路察訪使和軍器監長官期間，攻讀兵書，精心研究城防、陣法、兵車、兵器、戰略戰術等軍事問題，編成《修城法式條約》和《邊州陣法》等軍事著作，並把一些先進的科學技術成功地應用在軍事科學上，為提高兵器和裝備的質量做出了一定貢獻。
沈括對弓有很深的研究，提出“弓有六善”的觀點，並建議大批製造“神臂弓”。到次年五月，軍器監上報朝廷時，兵器產量提高了十幾倍。
《夢溪筆談》中有近20個條目與軍事有關，記述了沈括親曆的一些戰事、古代名將的戰例、古代的一些戰爭攻防手段與策略，如“赫連城”特點介紹、戰棚的作用分析等，為後人提供了珍貴的軍事研究資料。
藝術方麵，沈括是樂律行家，據《宋史‘藝文誌》載，沈括還撰寫過《樂論》、《樂器圖》、《三樂譜》、《樂律》等著作，可惜巳佚。《夢溪筆談》中與音樂相關的記述有40多條，研究並闡述了古代音樂的音階理論；記述了沈括對唐宋燕樂的研究心得，如燕樂起源、燕樂二十八調、唐宋大曲的結構和演奏形式、唐宋字譜等；並考證了部分樂器的形製、用材、流布與演變。
沈括在書畫收藏與鑒賞方麵也是行家。他撰寫過《圖畫歌》，用歌詩的方式，對兩晉至宋代50多位名畫家的作品及風格進行品評，語言精練、視角獨到，得到了著名書畫家米芾等人的高度評價。
據《宋史·藝文誌》記載，沈括的著述有22種155卷。除《夢溪筆談》外，還有綜合性文集《長興集》《誌懷錄》《清夜錄》，醫藥著作《良方》（與蘇軾所撰的《蘇學士方》並稱為《蘇沈良方》），科學著作《渾儀議》《浮漏議》《景表議》《熙寧奉元曆》《圩田五說》《萬春圩圖記》《天下郡縣圖》《南郊式》《諸敕格式》《營陣法》，音樂類著作《樂論》《樂律》《樂器圖》等，但存世較少。