自宋真宗之後，宋朝長期依賴每年送出的大量銀絹維持與辽朝的暫時和平。然而，辽朝擔心宋朝軟弱，企圖侵占更多土地。在公元1075年，辽朝派大臣萧禧到東京要求劃定邊界。
宋神宗派出談判代表，但在幾天的討論中未能達成一致。萧禧堅稱黃崗山（今山西原平西南）三十里地應該屬於辽朝，而宋方則缺乏對該地區地形的了解。面對這種無理要求，又無法回擊，宋神宗決定另派沈括為使者。
沈括，本是杭州錢塘人，一直支持王安石新法。他不僅工作認真細致，而且精通地理學。在枢密院查閱歷史文件後，他證明了那片土地應當歸屬於宋朝，並將其繪製成圖，以供萧禧審核。此舉讓萧禧哑然失色。
隨後，沈括被任命為使者前往上京（即辽 朝都城），他首先收集了許多地理資料，並令隨從官員背熟相關信息。在上京與宰相杨益戒進行談判時，他們提出的一切問題，都能以事實為基礎予以反駁。杨益戒見狀無可乘之便，便嘲笑說：「你們如此斤斤計較，即使要斷絕友好，也不利於我們。」沈括毫不畏懼地回敬：「你的背信棄義，不惡劣至此，我看你也不會得逞。」
最終，由於恐怕關係破裂，不利自己而言，只有放棄他們的無理要求。沈括帶領隨員返回東京，在路途中詳細記錄沿途的地形、風俗等，並將其整理成冊呈遞給宋神宗，被授予翰林學士職位。
在保障邊疆安全方面，沈括非常重視實際勘察。他曾假扮打獵探訪定州，用二十餘日時間仔細考察並製作立體模型，以木屑和熔化蜡雕刻出模型，這種立體模型比傳統紙本更具清晰性。
第二年受命編纂全國地圖，但因遭人誣陷被貶謫到隨州，在困難環境下仍堅持繼續修訂未完的地圖；經過數次調動官職，他始終兼顧考察與修正，最终完成了一部當時最準確的地圖——《天下郡国图》。
除了在地理研究上的卓越成就外，沈括還是一位科學家，其研究範圍橫跨天文、历法、音樂、醫藥及數學等多個領域。他早期就開始研究天文歷法，并在司天監工作期間添置新儀器，以觀測北極星位置耗時三個月，每晚夜間使用浑象儀觀測，最终計算出了北極星位置的準確值。
退休後居住于江蘇鎮江夢溪園中，他把一生所獲知識記錄起來寫成了《夢溪筆談》，其中包含了自己的研究成果以及當代農民發明創造，其中特別著名的是活字印刷技術，這是我國古代四大發明之一。在北宋之前已有雕版印刷術存在，但由於需要重新刻版才能改動一個字，因此活字印刷技術顯著提高了印刷效率和便捷性。此項發明由老工匠毕升獨立開發，而沈括則通過他的書籍向世人展示了這項革命性的技術。
