自從宋真宗以後，宋朝一直依靠每年送大量銀絹，維持了幾十年跟遼朝暫時妥協的局面，但是遼朝欺宋朝軟弱，想進一步侵占宋朝土地。公元１０７５年，遼朝派大臣蕭禧到東京，要求劃定邊界。
宋神宗派大臣跟蕭禧談判，雙方爭論了幾天，沒有結果。蕭禧一定說黃嵬山（在今山西原平西南，嵬音ｗeｉ）一帶三十里地方應該屬於遼朝。宋神宗派去談判的大臣不了解那裡的地形，明知蕭禧提出的是無理要求，又沒法反駁他。宋神宗就另派沈括去談判。
沈括，杭州錢塘人，原是支持王安石新法的官員。沈括不但辦事認真細緻，而且精通地理。他先到樞密院，從檔案資料中把過去議定邊界的文件都查清楚了，證明那塊土地應該是屬於宋朝的。他向宋神宗報告，宋神宗聽了很高興，就要沈括畫成地圖送給蕭禧看，蕭禧才沒話說。
宋神宗又派沈括出使上京（遼朝的京城，在今內蒙古自治區巴林左旗南）。沈括首先收集了許多地理資料，並且叫隨從的官員都背熟。到了上京，遼朝派宰相楊益戒跟沈括談判邊界，遼方提出的問題，沈括和官員們對答如流，有憑有據。楊益戒一看沒有空子好鑽，就板起臉來蠻橫地說：“你們連這點土地都斤斤計較，難道想跟我們斷絕友好關係嗎？”
沈括理直氣壯地說：“你們背棄過去的盟約，想用武力來脅迫我們。真要鬧翻了，我看你們也得不到便宜。”
遼朝官員說不服沈括，又怕鬧僵了，對他們沒好處，只好放棄了他們的無理要求。
沈括帶著隨員從遼朝回來，一路上，每經過一個地方，把那裡的大山河流，險要關口，畫成地圖，還把當地的風俗人情，調查得清清楚楚。回到東京以後，他把這些資料整理起來，獻給宋神宗。宋神宗認為沈括立了功，拜他為翰林學士。
沈括為了維護宋朝邊境的安全，十分重視地形勘察。有一次，宋神宗派他到定州（今河北定縣）去巡視。他假裝在那裡打獵，花了二十多天時間，詳細考察了定州邊境的地形，還用木屑和融化的蠟捏製成一個立體模型。回到定州後，沈括要木工用木板根據他的模型，雕刻出木製的模型，獻給宋神宗。這種立體地圖模型當然比繪製在紙上的地圖更清楚了。
宋神宗對沈括畫的地圖和製作的地圖模型很感興趣。第二年，就叫沈括編制一份全國地圖。但是不久，沈括受人誣告，被朝廷貶謫到隨州（今湖北隨縣）去。在那裡，環境雖然很困難，但是他堅持繪製沒有畫完的地圖；後來，他換了幾個地方的官職，也是一面考察地理，一面修訂地圖，堅持了十二年，終於完成了當時最準確的一本全國地圖——《天下郡國圖》。
沈括不但在地理研究上作出了出色的成就，而且是個研究興趣很廣泛的科學家。他在天文、曆法、音樂、醫藥、數學等方面，都十分精通。他很早就研究天文曆法。後來，他擔任司天監的工作，發現在那里工作的人，不少是不學無術的人，不懂得用儀器觀測。他到了司天監以後，添置了天文儀器。為了觀察北極星的位置，他一連三個月，每天夜裡用渾天儀觀察，終於計算出北極星的正確位置。
沈括晚年的時候，閒居在潤州（今江蘇鎮江）的夢溪園。他把一生研究的成果記載下來，寫了一本著作《夢溪筆談》。在那本書裡，除了記載他自己研究的成果以外，還記錄了當時勞動人民的許多創造發明，其中特別有名的是畢昇的活字印刷技術。
印刷術是我國古代四大發明之一。在北宋之前，已經有了雕板印刷術。但是雕板花工夫大，而且刻好一塊木板，要改動一個字，就要全部重刻。沈括在他錢塘老家看到一位老工匠畢昇，用一種很細的粘土，做成許多小塊，刻上字後放在窯裡燒硬，成為一個個活字。用這種活字排版印刷，比雕板印刷方便多了。沈括看到這件新鮮事，十分感興趣，就進行詳細的觀察和了解，還把畢昇的發明，記載在他的《夢溪筆談》裡，後代的人讀了他的書，才知道活字印刷術的來歷。