自宋真宗之後,宋朝長期依賴每年大量送出的银绢維持與辽朝的暫時和平。然而,辽朝擔心宋朝軟弱,企圖進一步侵占宋領土。公元1075年,辽朝派大臣萧禧赴东京要求劃定邊界。
宋神宗命大臣與萧禧進行談判,但雙方爭論多日無果。沈括因其精通地理,被任命為新使者,他首先到枢密院查閱歷史檔案,以證明該土地應屬於宋朝。他將發現的地理資料以地圖形式呈交給萧禧,使其無話可說。
隨後,沈括被派往上京(辽朝的都城)進行正式談判。在那里,他收集了大量的地理資訊,並且讓隨從官員熟悉這些資料。在面對辽方提出的問題時,他和官員們迅速回應,有據可依,這使得杨益戒感到困惑並試圖轉移話題。
沈括堅定地指出,如果實際上要斷絕友好關係,那麼結果會是誰也不利。他們最終放棄了他們的要求。返回來後,他整理了所有資訊並將其獻給宋神宗,被授予翰林學士職位。
為了確保邊境安全,沈括重視地形勘察。他在一次到定州巡視時,用木屑和融化的蜡製成立體模型,以此展示更清楚的地形信息。此舉獲頒木制模型作為禮物給帝王。
受人誣陷後,不久沈括被貶謫至随州。在那裡他繼續完善未完成的地圖,並在接下來數十年間,在不同的職位中不斷修訂地圖,最终完成了一個準確性的全国地图——《天下郡国图》。
除了在地理研究方面取得卓越成就外,沈括還是一名廣泛興趣科學家的代表人物。他在天文、历法、音樂、醫藥及數學等領域都有深厚造詣,並且早早開始研究天文历法。在司天監工作期間,他添置新的儀器並觀測北極星位置,以計算出正確位置。而晚年的他居住於江蘇鎮江的一處園子「夢溪」,寫成了著作《夢溪筆談》,記錄自己一生的研究成果以及當代工匠創新發明,其中包括活字印刷技術的記載。