自宋真宗以后，宋朝一直依靠每年送大量银绢，维持了几十年跟辽朝暂时妥协的局面，但是辽朝欺宋朝软弱，想进一步侵占宋朝土地。公元1075年，辽朝派大臣萧禧到东京，要求划定边界。宋神宗派大臣跟萧禧谈判，双方争论了几天，没有结果。萧禧一定说黄嵬山（在今山西原平西南）一带三十里地方应该属于辽朝。宋神宗派去谈判的大臣不了解那里的地形，明知萧禧提出的是无理要求，又没法反驳他。宋神宗就另派沈括去谈判。
沈括，不但办事认真细致，而且精通地理。他先到枢密院，从档案资料中把过去议定边界的文件都查清楚了，证明那块土地应该是属于宋朝的。他向宋神宗报告，송帝听了很高兴，就要沈括画成地图送给萧禧行看，以此作为证据。在这之后，他被任命为翰林学士，并继续负责处理与辽国之间的地界问题。
随后，在一次考察边境地形期间，当时人们认为这是打猎而实际上是进行详细勘察工作。在这个过程中，他还使用木屑和融化蜡捏制出模型并用木工雕刻成实体模型以便于更直观地展示地区特征。这份立体的地图模型比纸上的更清晰，更有助于理解复杂的地形特性。
当回到定州后，他又制作了一套全新的全国地图，但最终因为诬告被贬谪到了随州。但他并没有放弃自己的研究工作，在那里他继续修订未完成的地图，最终在十二年的时间内完成了当时最准确的一本全国地图——《天下郡国图》。
除了在地理研究方面取得显著成就外，他还是一个多才多艺的人物，对天文、历法、音乐、医药、数学等领域都有深入研究。在担任司天监期间，他通过不断改进仪器和方法，不断提高观测精度，最终成功计算出了北极星位置，为历代科学家提供重要参考数据。
晚年的时候，他居住在江苏镇江的一个地方名为梦溪园，并且将自己一生所学所得记载下来，其中包括对毕升活字印刷技术的一次描述。这项发明不仅改变了书籍生产方式，也推动了文化知识普及，使得更多人能够接触到书籍内容，从而促进文化发展。此外，这段历史也被收录在他的著作《梦溪笔谈》中，为后世留下宝贵文献记录。
