在自然科学的广阔领域里，沈括是一个全方位的研究者。对有关物理学的诸多问题，沈括都有着浓厚的兴趣，进行过卓有成效的研究。譬如，在光学上，他对凹面镜成像问题作了细心的观察，指出物体在凹面镜镜面到焦点之间成正立像，在焦点处无像，在焦点外成倒立像。
在声学上，他做过共振实验。他剪了一个小纸人，放在古琴的基音弦上，拨动泛音弦的时候，纸人就会因共振而跳动，拨动别的弦时就没有这种现象。他再另外拿一只同样的古琴，拨动相应的琴弦，纸人也会跳动。
沈括的共振实验比达·芬奇的类似的实验早了400年。在磁学上，他关于指南针的认识，表明他走在当时世界科学水平的前列。他指出，用磁石去磨针尖，针尖就指向南方，不过常常微偏东，并不完全指向正南。这就是说，他已经发现了地磁偏角。西方传说哥伦布于1492年发现地磁偏角，即便这样，也比沈括晚了400多年。对科学研究，沈括有一种“打破砂锅璺(问)到底”的精神。有一次，他在书上读到一句话，说：高奴县“有洧水，可燃。”当时他不清楚洧水是什么东西，后来他到邮延(今陕西延安、富县一带)做官，找到了这种“洧水”。
他试着用火一点，果然着了，烧出来的黑烟把墙都熏黑了。看着熏黑的墙壁，他想，能不能用它来制墨呢?说干就干，他立刻把“洧水”燃烧后的炭黑收集起来，做成墨。一用，效果非常好，“墨光如漆”，比用松烟做成的墨还要好。他把“洧水”称为“石油”，这一命名沿用至今。沈括一生到过很多地方，他非常重视平时耳闻目见的创造发明，将它们一一写进《梦溪笔谈》之中。
沈括21岁时，在钱塘老家看到毕昇制作的胶泥活字，爱不释手。于是对毕昇的活字印刷设备和操作工艺作了详尽的调查，以后又记载在《梦溪笔谈》里。如果没有沈括的记载，这项伟大的发明就将永远被埋没。喻皓是五代末、北宋初年著名的木建筑大师，著有专谈建筑的《木经》一书，可惜这部著作早已佚亡。多亏沈括在《梦溪笔谈》中对喻皓及其所撰的《木经》有所记载，这些记载成了研究中国古代建筑学的宝贵资料。
沈括对这位建筑大师非常钦佩，为此他还特地记载了一个喻皓造塔的故事：传说喻皓督造的宝寺塔落成后，人们发现宝塔略微向西北倾斜，于是觉得很奇怪，不懂得赫赫有名的喻皓怎么会犯这样的错误。有人便去问喻皓。不料他听后，哈哈大笑，解释说：“这里的西北风十分强烈，现在塔向西北倾斜，日后，在风力作用下，会变正的。”后来，宝寺塔果然变正了。
沈括晚年，怀着崇敬的心情特地去杭州考察了喻皓建造的梵天寺木塔，觉得喻皓的技艺果然名不虚传。《梦溪笔谈》是部百科全书式的著作，除了人文科学的内容外，自然科学方面的内容涉及天文、地质、地理、物理、化学、数学、气象、工程技术、生物和医学等各个方面。
沈括无疑是中国科学史上的一位巨人，他所取得的科学成就使他无可争议地成为中古时代科技文明的杰出代表。比沈括晚生556年的宋应星是明末清初的一位科技巨人。他一生淡泊功名，专心从事生产技术的考察，随后将考察所得记录下来，写成《天工开物》一书。《天工开物》记述了直到明代为止的中国古代的各项技术，所以被誉为中国古代技术的百科全书。
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