自宋真宗之后，宋朝一直依靠每年送大量银绢与辽朝暂时和解的局面，但辽朝却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，但双方争论了几天，没有结果。萧禧坚持黄嵬山一带三十里地方属于辽朝，而宋神宗则另派沈括去谈判。
沈括不仅办事认真细致，而且精通地理。他先到枢密院，从档案资料中查清楚了过去议定边界的文件，并向宋神宗报告。随后，他被命画成地图，以证明那块土地应属宋朝。这次出使上京（辽朝的京城），沈括收集了许多地理资料，并让随从官员背熟备忘。在杨益戒宰相面前，对答如流，有凭有据，最终成功维护了边界，不得不令杨益戒放弃无理要求。
在回程路上，每经过一个地方，都把那里的大山河流、险要关口画成地图，还调查当地风俗人情，将这些资料整理献给宋神宗，被授为翰林学士。此外，他还对定州的地形进行详细考察，用木屑和融化蜡捏制成立体模型，再雕刻木板制作模型，为新皇帝提供更清晰的地图。
尽管遭受诬告，被贬谪至随州，在困难环境下继续修订未完的地图并研究其他科学领域，十二年后他终于完成《天下郡国图》，成为当时最准确的一本全国地图。此外，他还在天文、历法、音乐、医药等多个领域都有所贡献。他晚年居润州梦溪园，将一生研究记载于书——《梦溪笔谈》中，其中包括他自己研究成果以及劳动人民创造发明，如毕升活字印刷技术。
这项印刷术是中国古代四大发明之一，在北宋之前就已经有雕版印刷术，但是需要花费大量时间改动一个字。而毕升通过用粘土做小块刻字再烧硬形成活字，使得排版印刷更加方便，这种方法由沈括发现并记录在他的著作中，为后世传承。
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