在磁學方面，沈括最早記載了人工磁化的壹種簡便方法，即“以磁石磨針鋒”造指南針。他還被公認為是世界歷史上第壹個指出地磁場存在磁偏角的人，即磁針所指“常微偏東，不全南也”，西方的這壹發現要比沈括的發現晚400年。
在光學方面，為說明光是沿直線傳播的這壹性質，沈括在紙窗上開了壹個小孔，使窗外的飛鳥和樓塔的影子成像於室內的紙屏上面進行實驗，指出了物、孔、像三者之間的直線關系。此外，沈括還運用光的直線傳播原理形象地說明了月相的變化規律和日月食的成因，對凹面鏡成像、凹凸鏡的放大和縮小作用作了通俗生動的論述。
在聲學方面，他最早做了***振的實驗：剪了壹個紙人放在少宮或少商弦上，彈動宮弦或商弦時，在相應的少宮或少商弦上的紙人就會跳動起來，而彈其他弦時，紙人則不動。用兩只琴（或瑟），將紙人放在壹只琴的弦上，彈動另壹只琴時，相應的弦上的紙人就會跳動。在西方，直到15世紀，意大利人才開始做***振實驗。
在天文歷法方面，沈括積極主張改革歷法，提出了采用陽歷的設想。800年後，這種歷法被采用，就是現在通用的太陽歷，當今世界，大多數國家都采用了他所預言的歷法。沈括還主張使用與農業生產關系密切的十二氣歷。這種歷法更符合天文實際，有利於農事的安排，比現行的公歷——格列高裏歷還要合理。
在地理、地質方面，他利用流水侵蝕的學說和對海陸變遷的科學解釋，提出了華北平原成因的理論。他根據在延安發現的竹根化石的事實，推測古今氣候的變化。他提出石油可以用來照明和制墨，並預言石油他日必將大行於天下，而“石油”壹詞更是他首先使用的。
《夢溪筆談》集古代、特別是北宋時期科學成就之大成，是我國和世界古代科學史上的重要科技著作，被李約瑟譽為“中國科學史上的坐標”，而沈括也被李約瑟稱為“中國整部科學史中最卓越的人物”。