自从宋真宗之后，宋朝一直依赖每年送大量银绢来维持跟辽朝暂时和平的局面，但辽朝却利用宋朝软弱的态度，试图进一步侵占宋朝的土地。公元1075年，辽朝派大臣萧禧到东京要求划定边界。
宋神宗便派大臣与萧禧进行谈判，但双方争论了几天未能达成一致。萧禧坚称黄嵬山三十里范围属于辽国，而没有人了解那里的地形，也无法反驳他的无理要求。因此，宋神宗决定另派沈括出使。
沈括是杭州钱塘人，他不仅办事认真细致，而且精通地理。他首先到枢密院查阅过去议定的边界文件，从中证明那块土地应该归属于宋朝。他向宋神宗汇报后，得到了很高的评价，并被指示画成地图，以此作为证据给予萧禧看。在上京（辽国都城）与杨益戒宰相进行边界谈判时，由于沈括及随员对答如流，有凭有据，最终导致辽方放弃了他们的无理要求。
在回程途中，每经过一个地方，都详细考察并制作地图，同时记录当地风俗人情。此后，他将这些资料整理，并献给了宋神宗，被授予翰林学士之职。
为了确保国家安全，沈括重视地形勘察。一次他假扮打猎，在定州花费二十多天时间详细考察边境的地形，并制作木制立体模型，以此展示给皇帝。这种立体模型比纸上的更为清晰，因此受到了赞赏，并被命令编制全国的地图。但不久之后，他因诬告而遭贬谪至随州。在那里，他继续修订未完成的地图直至完成了一本当时最准确的地图——《天下郡国图》。
除了在地理研究方面取得显著成就外，沈括还是一个广泛兴趣爱好者的科学家，对天文、历法、音乐、医药和数学等领域都有深入研究。在司天监工作期间，他添置了新的仪器并通过观测计算出北极星位置。而晚年的他居住在润州梦溪园，将一生的研究成果记载于《梦溪笔谈》中，其中还包括劳动人民创造发明，如毕升活字印刷技术，这是我国古代四大发明之一。
印刷术之前已有雕板印刷，但它需要耗费巨大的努力才能刻好一块木板；而毕升使用粘土制造小型活字，可以烧硬后用于排版印刷，这样做效率远超雕板。这项发明由沈括在《梦溪笔谈》中详细描述，使得后世人们了解了这项重要发现。
