宋廷不便驱逐他出境，于是派遣知制诰沈括找出证据。沈括字存中，号梦溪丈人，也就是后来写成《梦溪笔谈》之人。天圣九年，沈括出生于杭州钱塘沈氏家族。他的祖父沈曾庆曾任大理寺丞，他父亲沈周、伯父沈同均为进士。沈括自幼勤奋好学，十四岁就读完了家里的藏书。之后，他随父亲宦游州县，到过泉州、润州、简州和汴京等很多地方，增长了见识。
沈括自幼体弱多病，加上他读书十分用功，经常需要服食中药调理。钱塘沈氏在医药学颇有建树，有家传的药学书籍《博济方》。受到家庭影响，沈括也从搜集医方开始，钻研医学。沈周知明州的时候，沈括借居在苏州母舅家，从舅舅许洞的著作与藏书中，得益甚多。他开始对军事产生了强烈的兴趣，为他以后指挥作战奠定了基础。
至和元年，沈括因为父荫而入仕，担任海州沭阳主簿。他大力治理沭水，开发农田，颇有政绩。工程结束后，沈括辞去职务，来到哥哥沈披在任的宁国县，准备科举考试。当时沈披主持芜湖万春圩工程，由于沈括有治水经验，于是他献计献策，并作了详细记录。
嘉祐八年，沈括进士及第，授扬州司理参军。后来沈括被调入京师，编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，他在闲暇之余，又开始研究天文历法。熙宁元年，沈括升任馆阁校勘，有机会接触到皇家的藏书，进一步充实他的学识。
一次，沈括在开封相国寺，见到高益的一幅壁画，内容为乐工同奏，很有意境。但人们都诟病，弹琵琶的乐工拨错了弦。管乐吹奏的都是“四”字音，在琵琶的上弦，但画上拨的却是下弦。沈括经过仔细观察，认为高益画的没错。他指出，弦乐跟管乐不同，演奏管乐的时候，手指按在什么音，就发什么音。琵琶则不同，只有当手指拨弦之后，才会发音，动作早于声音。因为这样，弹琵琶的乐工手指不在“四”字音的上弦，而在下弦。足见画家的布置巧妙，匠心独运，众人大为佩服沈括的见识。
唐朝白居易曾和朋友结伴游庐山，写了不少诗，其中一首是《大林寺桃花》。沈括读到这首诗，非常惊讶，带着讥讽的口吻评道：“既然‘四月芳菲尽’，怎么会‘桃花始盛开’呢？大诗人也写出这样自相矛盾的句子。可谓‘智者千虑，必有一失’呀！”说完，他也就把这事给忘掉了。
后来，有一年春夏之交，沈括到一座山上考察，他见到了白居易诗中的奇景：四月天气，山下众花凋谢，山顶上却是桃花红艳。他这才猛然想起白居易的诗来，领悟到自己错怪了大诗人，也从中发现了高度对季节的影响。由于山上气温低，春季到来要晚于山下。
于是他找来白居易的诗，发现前面有一篇序。序中写道：“大林寺山高地深，时节绝晚，于时孟夏月，如正二月天。梨桃始华，涧草犹短。人物风候，与平地
聚落不同。”沈括很有感慨地说道：“都怪我读书不仔细，经验太少！”
熙宁四年，沈括守母丧期满。他得到赵顼和王安石的器重，被任为检正中书刑房公事。接着沈括奉命主持汴河疏浚工程，被加任史馆检讨。按照惯例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏员常借此修建园林、谋取私利。沈括考察南郊大礼的历史沿革，撰成《南郊式》，被任命掌管郊祀事务。沈括按新礼仪办事，节省费用数以万计，赵顼对此十分满意。
淮南饥荒，沈括受命巡察。他发放常平仓钱粮，疏通河渠，修治荒田，取得明显成效，升任集贤校理，巡察两浙农田水利。两浙水利工程规模浩大，沈括建议出钱雇用饥民兴建水利，得到赵顼赞同。
沈括到两浙视察的时候，苏轼刚好在杭州任通判。两人曾是崇文院同事，有共同语言很多。不同的是，沈括支持王安石，苏轼倾向于司马光。政见虽然不同，沈括还是去看望了苏轼。老朋友久别重逢，相见甚欢。苏轼十分热情地接待了沈括，沈括问苏轼：“最近可有好作品，能否让兄一睹为快？”苏轼按捺不住兴奋，立马拿出新鲜出炉的作品。沈括说道：“写得真好，我可否抄录几首？”苏轼对沈括没有提防之心，爽快地答应了。沈括工整地抄好，如获至宝地带回京城。
沈括回京之后，得知御史何正臣、李定一正想整苏轼，两人是苏东坡的对头。沈括猛然记起自己带回的苏轼几首诗，于是他闭门谢客，仔细研究苏轼的诗作。功夫不负有心人，他终于找到几句含大不敬的诗句。如苏轼歌颂桧树，“根到九泉无曲处，世间唯有蛰龙知”，沈括心想，“皇帝如飞龙在天，可苏轼偏偏向九泉之下寻蛰龙，不臣莫过于此！”他连忙写了一道折子弹劾苏轼，交给了赵顼。但赵顼当时并未追究。
不过，赵顼不追究，并不意味着苏轼就没有事。五年后，何正臣、李定一联手上表弹劾苏轼，这就是著名的“乌台诗案”。他们手中的证据，正是他们从苏轼诗里挑选出来的几句有大不敬的句子，与沈括的做法如出一辙。比如：“东海若知明主意，应教斥卤变桑田”，被认定苏轼指责水利工程。“岂是闻韶忘解味，迩来三月食无盐”，被说成苏轼是讽刺禁止百姓卖盐，罪大恶极。最后，赵顼下令将苏轼打入大牢。苏东坡差点丢了老命，还连累了三十多位亲朋好友，令人唏嘘。这是后话，略过不提。
沈括回京之后，赵顼很满意他的表现，于是升他任太子中允、提举司天监。当时的官吏大都是庸碌之人，对天文几乎全然不知。沈括于是改革机构，改进仪器，召请卫朴修造新历法，向全国征集观测天象的书籍。
朝廷登记民间车辆，市易司打算填封私以阻止四川私贩井盐，民议纷纷。沈括进言道：“民间都是太平车，不利于机动作战；小盐井很多，填封私井势必要加强警戒，得不偿失
。”赵顼表示赞同，次日下诏停了此事，并擢升沈括为知制诰、兼管通进、银台司。
之后，沈括调任河北西路察访使，提举河北西路义勇、保甲公事。河北西路地处北疆，沈括上任后，将重点放在改革军政和巩固国防上。沈括返京后，上疏提出三十一条整改意见，多数都被赵顼肯定和采纳。
不久，沈括兼任判军器监，负责兵器的铸造与储备。沈括对弓有很深的研究，提出“弓有六善”的观点，建议大批制造“神臂弓”。次年五月，军器监上报朝廷时，兵器产量提高了十几倍。沈括奉命修订“九军战法”，分九军为九营，各自为阵，背背相承，面面相向，灵活多变，名之为“边州阵法”。不久，他又编撰城垒、军营等建筑的营造法式。
宋辽边界冲突，沈括接旨之后，就到枢密院查阅以前的档案文件。他发现宋辽过去商定的协议是以古长城为界，而黄嵬山在古长城以南，相距有三十里之遥。于是他上奏道：“宋、辽的分境，本以古长城为界。现在所争在黄嵬山，相差三十余里，如何可让？”赵顼不觉叹息道：“大臣不考本末，几乎耽误国事。”于是赏赐沈括白金一千两，让他以回谢使的身份出使辽国。
沈括从汴京出发时，预先找出了相关书信档案数十件，让幕僚和吏员背熟。契丹宰相杨益戒每有问题提出，沈括就让手下吏员列举档案条文作答。谈判进行了六次，杨益戒无言可对。辽国宰相于是威胁道：“区区数里，你们居然不想给我们，莫非想自绝两国之好吗？”沈括奋然道：“师直为壮，曲为老。北朝如果弃信失好，曲有所归，这对我朝有什么害处？”表示寸土不让。
沈括起程回国，他又根据沿途地理形势、风俗民情画撰为《使契丹图抄》，献给朝廷。因为这次出使有功，沈括被提拔为淮南、两浙灾伤州军体量安抚使。次年十月，他拜为翰林学士、权三司使。
赵顼看了沈括的奏章后，担心边恐疆的协议达不成，就想北伐。王安石说战备没有准备好，应该缓举。此外一班朝廷的辅臣，有人主战，有人主和，意见也不一样。赵顼于是禀告了太皇太后曹氏，太皇太后问道：“储蓄以及准备奖励的东西，是否已经准备就绪？士卒的盔甲、武器，是否精利？”
赵顼答道：“这是容易筹办的事情。”太皇太后却说道：“先圣有言，吉凶悔吝生乎动。如果北伐得到了胜利，不过是南面受贺。万一受到挫折失败了，损失就更大了。我想辽国如果容易图谋，太祖、太宗，应该早就收复了，哪里还会等到今日？”赵顼无奈，只好说道：“敢不受教！”
赵顼退回之后，依然不甘心，想派使去问魏国公韩琦。不料韩琦已经病死，遗疏到了京城。赵顼于是停朝发哀，追赠韩琦为尚书令，谥忠献，配享英宗庙庭。