《墨經》之後，沈括對推進光學的發展也作出了許多貢獻。沈括是宋代偉大的科學家，撰有科學巨著《夢溪筆談》。他被稱為“中國科學史上的巨人”，他的著作也被稱為“中國科學史上的里程碑”。
“日兆月，月光生，則成明月。”(《周髀》)可見，我國古代人在西漢前就已經知道，月光乃日所照。他們或者把日比喻為發光的“彈丸”，把月比喻為“鏡子”，或者將月比喻為不發光的“彈丸”，並指出“日照處則明，不照處則暗”。 (《爾雅義疏》卷五)沈括在回答有關日、月、形、體及月為何有光的問題時，肯定地說，“日月之形如丸”，“月本無光”，“日耀之乃光耳”。 (《夢溪筆談》卷七)同時他還指出，每逢月初，太陽在月旁邊，因此人們見到月亮的光明部分彎鉤；以後太陽離月亮漸漸地遠起來，太陽變成斜照月亮，因此看到月亮逐漸變成一個圓。值得指出的是，沈括第一次以一個圓球模型來演示月亮圓缺的道理：將該球的半個球面塗上銀粉，另半球是黑的。當人們正對塗銀粉的半球觀察時，光亮面正好是一個圓；當人們側視它時，光亮面就如同彎鉤。正是在沈括的這一演示實驗的思想啟發下，元初趙友欽以這種半明半暗的圓球證明月食和月像變化。而明代朱載堉又發展成兩個圓球，讓它們分別代表日與月，或代表日與地，或月與地，從而演示日食和月食的成因。
中國人對雨虹的認識也有很長一段歷史。起初，人們觀察到雨虹現象，只能是粗淺地記述著它的位置和形成的季節、條件。從唐代起，對虹的科學認識才產生了新的飛躍。唐人孔穎達(公元574—648年)指出“若云薄漏日，日照雨滴則虹生。”(《禮記註疏·月令》)張志和(公元約730—810年)還以“背日噴水”(《玄真子·濤之靈》)實驗，實現小型的人造虹。這就是，背著太陽噴水，水珠在陽光照射下成虹。沈括以自己親身對虹的觀察，不僅肯定前人的有關結論，而且指出，只有順著太陽照射的方向才能見雨虹，如果對著太陽看，烈日耀眼，就什麼也看不到。 (《夢溪筆談》卷二一)在西方，類似唐代人的觀察結論直到13世紀才見之史籍，比中國人晚了600餘年。
沈括還極大地發展了《墨經》關於平面鏡、凹面鏡和凸面鏡成像的知識，豐富了鏡面成像的理論。
在比較平面鏡、凹面鏡和凸面鏡成像規律時，沈括解釋了照臉用的小鏡為何要使其鏡面微凸的原因。他說：因為微凹的鏡子，成像是放大的；微凸的鏡子，成像是縮小的。小平面鏡不能把人臉面照全，微凹的鏡子更不能看到人的全部面孔；所以製成稍凸的鏡面，因其成像是縮小的，這樣鏡面雖小，也能把全部臉面照入鏡內。古代工匠作鏡子時要反复度量鏡子的大小以便增減鏡面凸起的程度，使人像與鏡子大小相適應。這足以看出工匠們的聰明才智！ (《夢溪筆談》卷一九)
在沈括之前，曾流傳一種謬說：塔影倒立是因為大海翻騰的緣故。這裡的“塔影倒立”是指通過窗隙小孔的寺塔影子。沈括對此科學地解釋說：鷹在空中飛翔，它的影子隨鷹而移動，如果在鷹與影子之間有一小窗孔，那麼光線穿過小孔時，影子的移動與鷹的飛行方向相反。即鷹往東飛，影子往西移；鷹往西飛，影子往東移。寺塔通過窗孔的影子，是倒立的，其道理與此相同，也與凹面鏡成像的道理相同，這些都是自然界的一般常識。
關於凹面鏡成像，沈括不僅重做了墨家做過的實驗，而且還發現了凹面鏡的焦點。在墨家之後，漢代成書的《淮南子·說林訓》已定性地覺察到陽燧聚焦發火的那一點(即焦點)必須遠近適中。沈括第一次明確地指出焦點所在。他說：“陽燧面窪，向日照之，光皆聚向內。離鏡一、二寸，光聚為一點，大如麻菽，著物則火生。”(《夢溪筆談》卷三)在這裡，沈括清楚地論述了他所用的凹面鏡的焦距長度和焦點大小。
沈括吸取前人的光學知識，對“紅光驗屍”的方法也有研究。當法官在判斷死者屬他殺，並在死者身上尋找證據時，他殺的痕跡並非一目了然。沈括記載了某些知縣的斷案經驗：先以酒糟液(類似酒精的功用)或草木灰水(即鹼水)擦洗死者皮膚，然後將屍體放於陽光照射的紅色雨傘下，死者被鞭笞的痕跡歷歷可見。 (《夢溪筆談》卷一一)古代人的這種判案方法，被歷代清廉的衙門官府採用，並在沈括之後又有所發展。從光學的角度看，這種方法所以能見死者傷痕，是因為紅雨傘起了濾光片作用。太陽光透過紅雨傘後，只剩紅光，其餘色光均被雨傘過濾除去。於是，傷痕的青紫色在紅光照射反襯明顯，就容易被看出來。
在沈括之後，宋元之際的科學家趙友欽對光學也作了重要的研究。他以一間三層的不漏光房間作為實驗室，用點燃的上千支蠟燭作為光源，不僅證明光的直線行進的性質，而且正確地說明光源、光源與小孔的距離以及像三者之間的關係。在改變光源的大小與強度、改變小孔的大小以及改變光源與小孔的距離等各種條件下，實驗地記錄了這三者之間的光學效果(《革像新書·小罅光景》)。這是中世紀世界上最大型的有關小孔成像的光學實驗。