沈括，字存中，钱塘人，因为父荫得官为沭阳主簿。沭阳县靠着沭水，是职方氏所写的“水泽叫沂水、沭水”的地方。早先的河道漫衍为停滞不流的污泽，沈括重新修筑二堤，疏浚水流为一百条水渠九个水坝，用来分导和节制沭水的主流和支流，得到上等好田七千顷。
考中进士后，沈括被派去编集校对昭文馆的书籍，担任馆阁校勘，删定三司条例。按照惯例，皇帝每三年一次往圜丘祭祀天地的礼仪，是由有关机构按照典籍记载安排进行，他们把副本收藏起来，吏员往往借着举行祭祀仪式而谋取私利。祭坛下张设帐幕，在距离皇城数里的地方修建园林，竖立起五彩的木头，把雕刻好的飞鸟走兽绵延不断地放置在林木之间。将要举行祭祀的前夕，皇帝亲自前来观赏，登上端门，陈列仪仗卫队以检阅他们的威严警戒，游览赏玩，这些都不是斋戒祭祀时所应有的现象、皇帝使用的一个器物，就需要六七十名工匠制作。沈括考察了南郊大礼的历史沿革，撰写了一本书叫《南郊式》，于是皇帝降诏命令他掌管郊祀的事务，按照新礼仪办事，所节省的费用数以万计，神宗十分满意。
升任太子中允、检正中书刑房、提举司天监，当时的日官都是庸庸碌碌的人，对于天文现象、天体图象及天文仪器，几乎全然不知。沈括开始设置浑仪、景表、五壶浮漏，召请卫朴修造新的历法，向全国各地征集太史用的观测天象的书籍，在司天监里参杂使用读书人，把方技科分为五项，这些办法后来都被采用施行。加官为史馆检讨。
淮南发生饥荒，朝廷派遣沈括前去巡察。他发放常平仓的钱和粮食，疏通河渠，修治荒废的农田，以此来消除水灾造成的破坏。升任集贤校理，巡察两浙地区的农田水利情况，升任太常丞、同修起居注。当时朝廷大规模地登记民间车辆，人们不了解朝廷的用意，都引以为忧；市易司又担忧四川禁止不了私贩井盐，打算把四川的私井全部填实封住而运解池的盐去供应。上书议论这两件事的奏疏多得像织机上的纱线，但神宗都不予理睬。沈括侍立在神宗身边，神宗回头看看他说：“你知道征集车辆的事吗？”沈括回答说“：我知道这件事。”神宗说“：这事怎么样？”沈括回答说“：请问征集车辆打算做什么用？”神宗说“：北方的辽军用马来取胜，没有车是不足以抵挡他们的。”沈括说：“车战的好处，在历代都可以看到。但是古人所说的兵车是轻车，五匹马拉车折冲旋转，有利于快速行军。如今民间的载重车笨重庞大，每天走不了三十里路，因此人们把它叫作太平车，只能够在太平的日子用用罢了。”神宗高兴地说：“别人都没有说到这些话，我要好好考虑。”于是又问他川盐的事，沈括回答说：“把所有的私井都填塞封掉而运去解池的盐，使盐全部都由官府发售，固然好。但是忠州、万州、戎州、泸州一带少数民族地区的小盐井很多，不可能一下子禁绝，势必要在这个地区加强警戒，这样的话我怕所得不足以偿所费。”神宗点头同意。第二天，这二件事都停止实施了。提升为知制诰，兼管通进、银台司，沈括从任太子中允到知制诰才三个月的时间。
任河北西路察访使。以前的惯例，凡有银冶之处，转运使就设置官员收取银冶的息钱。沈括说“：靠近宝藏就会使国家贫穷，这是必然的事；靠近宝藏的人多了，那么窝藏的奸伪之徒怎样检查出来呢？朝廷每年送给契丹数十万两银子，因为它不是北方所有的东西，所以他们看重它而认为获得它是有利的。过去的银城县、银坊城都已被他们侵占，假如使他们知道开凿矿山的好处，那么中国的岁币更加要被他们看轻了，还有什么东西可以每年送给他们，边境争端将要从这里开始了。”
当时朝廷要京城附近地区的百姓每户出马充作赋税以保卫边境，百姓把这当作灾难。沈括说“：北方地区马多而且人们熟悉骑马作战，好比是中国擅长强弩。如今舍弃我们擅长的技艺，勉强去做不擅长的事，怎么能够取得胜利。”另外边境地区的人练习打仗，只以拉开弓的强度来确定高下，但未必能射穿皮革，沈括说应该以射出远近的距离和射入硬物的程度作为考核的标准。沈括提出类似的意见三十一件，皇帝降诏都同意实行。
辽国的萧禧来处理河东黄嵬一带地界分划的问题，留在馆舍不肯辞去，说：“我一定要达到目的才能返回。”神宗派遣沈括出使辽国。沈括到枢密院查阅以前的档案文件，查找到当年商定边境的文件，文件指定以古代的长城作为边界，而现在所争的地方与长城相距三十里远，于是上表阐明了这件事。神宗在休假日打开天章阁召见沈括答对，高兴地说“：大臣们根本不去探究事情的原委，差一点误了国家大事。”神宗命令把地图拿给萧禧看，萧禧这才感到理屈。神宗赐给沈括白金一千两，让他出使辽国。他到了契丹宫廷，契丹宰相杨益戒来同他面议。沈括找到争论地界的各种书信档案数十件，预先让幕僚和吏员背熟它，杨益戒有问题提出，沈括就回头让吏员列举所得档案回答。另一天再问，还是同样回答。杨益戒无言可对，傲慢地说：“几里土地都不忍心，难道忍心轻率地断绝友好关系吗？”沈括回答说“：军队以正义为强大，以理屈为衰弱。现在你们北朝抛弃你们以前皇帝的重大信誓，用暴力役使人民，这对我们南朝没有什么不利。”总共会谈了六次，契丹知道沈括不会屈服，于是丢开黄嵬不谈而只要求将天池地区划归他们。于是沈括起程回国，他在路上画下沿途山川的险峻平缓迂回顺直，风俗的纯朴和复杂，人情的向背，撰修成《使契丹图抄》一书献给朝廷。朝廷任命他为翰林学士、权三司使。
沈括曾经到丞相府汇报事情，吴充问他说“：自从免役令颁布以后，百姓对它的诋毁攻击至今没有减少。免役法究竟对百姓怎么样？”沈括说“：认为不方便的，只是士大夫和城市中习惯于免除服役的人，这不必顾虑。只是有些贫穷寒微人家本来规定不服力役的，现在也要他们出钱，那是应该考虑的。如果对这些人全部放宽，完全不收他们的钱，就好了。”吴充认为他说得对，上表朝廷施行了这项建议。
蔡确抨击沈括对免役法的言行前后反复不同，暗中妨害司农法，沈括以集贤院学士出任宣州知州。第二年，复职龙图阁待制、知审官院，又被派遣出任青州知州，还没有去上任，改任延州知州。到了延州，沈括以朝廷额外赐给的钱买来酒，命令街市百姓中清白人家的子弟比赛骑马射箭以分高下。有超群出众才能的人，沈括亲自起身酌酒慰劳他，边境上的百姓欢悦激动，拿着弓箭，唯恐不能参加比赛。过了一年，沈括挑选到能射穿箭靶、飞身上车的人一千多名，都补充到中军做志愿兵，因此延州军队的声威超过了其他州府。由于副总管种谔讨伐西夏攻下银州、宥州有功，沈括加官为龙图阁学士。朝廷派出守卫京城的禁军到边境驻防，两次赏赐他们也没有赏赐地方军队。沈括认为京城的卫兵虽然重要，但是没有一年不战斗的军队则是地方守军。如果像现在这样赏赐不均，会引起变乱。于是藏起敕书，假托朝廷命令赐给地方军队钱几万缗，并通过驿站上报朝廷。神宗降诏答复他说“：这是枢密院颁布赏赐时的失误。如果不是你看到事情的要害，必然会扰乱军政。”从此以后，事情来不及请示报告的，沈括都可以自己作主处理。少数民族和汉族将士从皇城使以下的官职，允许沈括以朝廷的名义补授。
种谔军队来到五原，正遇下大雪，粮饷没有及时运到，殿直刘归仁率领部下向南奔逃，士兵三万多人都溃散入塞，当地居民十分恐慌。沈括出城在东郊用酒食接待回来的河东军队，得到逃回来的士兵几千人，问他们说：“副都总管派你们回来取粮食，为首的人是谁呢？”士兵回答说“：在后面。”沈括便命令他们各回兵营去。到了晚上，又到了八百人，不到十天，溃散的士兵全部回来了。沈括出去巡察部队，刘归仁来见，沈括说“：你回来取粮食，为什么不拿军符？”刘归仁无言以对，沈括将他斩首示众。过了几天，神宗派内侍刘惟简来查问叛乱的人，沈括把处理的情况报告了朝廷。
大将景思谊、曲珍攻克西夏的磨崖、葭芦、浮图城，沈括建议修筑石堡城来对付西夏，但是给事中徐禧来到，他要先修建永乐城。皇帝降诏要徐禧总领将领们前去筑城，命令沈括把他的帅府移到边界，以便接济军用物资和救援。不久徐禧失败战死，沈括因为西夏军队袭击绥德，而先去援救绥德，不能去援救永乐城，因而被贬为筠州团练副使。元..初年，改任秀州团练副使，接着任光禄少卿分司，在润州居住八年后去世，终年六十五岁。
沈括学识广博，善于写文章，对于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算，没有不通晓的，都有著作论述。他又把平时当宾客谈论的事记录下来编成《笔谈》一书，大多记载朝廷中的典故事实，故旧老臣的进退，流传于世。