在天文学成就上，沈括非常重视观测手段的改进，熙宁七年（1074年）七月“沈括上浑仪、浮漏、景表三仪”，这三种天文仪器主要是测量天体位置、时间和日影长短，但经过他的改进，观测精度大大提高。对于历法的改进，沈括颇有功绩，他主张使用十二气历，即“十二气为一年”。立春为一年的开始，“大尽三十一日”，“小尽三十日”；“一大一小相间，纵有两小相并，一岁不过一次”，这样就可做到“岁岁齐尽，永无闰余”，这就把传统的月相变化的内容注入到历法里。可惜此法未被采纳，反而招致一些人的围攻。
在数学方面，沈括的成就在于推导出了“隙积术”和“会圆术”。隙积术是求解垛积的问题，属于高阶等差级数求和问题，并提出了一个正确的求解公式，开辟了数学研究的新领域。这一成果被南宋数学家杨辉、朱世杰等人所继承并进一步加以发挥。会圆术是一个已知弓形的圆径和矢高求弧长的问题，沈氏推演出了求弓形弧长的近似公式。
在物理学方面，沈氏的贡献主要在磁学和光学上。对磁学的研究，他记述了指南针的四种装置方法并详其优劣，他还发现，磁针“常微偏东，不全南也”的现象，这可以说是关于磁偏角的最早记载。在光学方面，他通过对凹面镜成像的实验，指出：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”这里的“过此”之“此”，后人研究即为凹面镜的焦点，也就是说，物体在凹面镜焦点之内时得正像，在焦点上时不成像，在焦点之外则模糊不清。对于透光镜，沈括进行了细心的观测和研究，他说：“世有透光鉴，鉴背有铭文，凡二十字。字极古，莫能读，以鉴承日光，则背文及二十字，皆透在层壁上，了了分明。人有原其理，以为铸时薄处先冷，唯背文上差厚后冷而铜缩多，文虽在背，而鉴面隐然有迹，于光中现。予观之，理诚如是。”沈氏以铸镜时冷却速度不同来解释透光镜能反射背面花纹的原因，虽不一定符合事实，但这种科学探索精神还是值得称道的。