沈括还首创了用“飞鸟图”来绘制地图，以代替传统的循路步法制图。“飞鸟图”也就是“取鸟飞之数”，用的是飞鸟直达的距离，类似航空拍摄，这使地图的精确度大为提高。
沈括视察河北边防的时候，还曾经把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立体地理模型，呈现给神宗。这是中国地图史上木质地形图的第一次明确记载，比瑞士十八世纪出现的地理模型图早七百年。
化学方面，他首次提出了“石油”这一科学命名，又做了以石油碳黑代替松烟制墨的实验，准确断言“此物必大行于世”。据沈括《梦溪笔谈》记载，信州铅山县有苦泉（硫酸铜溶液）、流而成涧。舀取泉水煎熬，就能得到胆矾（硫酸铜），熬制胆矾就能生成铜，熬胆矾的铁锅，日子久了也会变成铜。沈括的这段记录，即湿法炼铜，利用化学置换反应的方式提炼金属。
物理方面，沈括记录了人工磁化的方法，并用人工磁化针来作试验，对指南针进行深入研究。沈括比较了指南针的四种装置方法：水浮法，碗沿法，指甲法和悬丝法，指出悬丝法最优，并做了相应的分析。
磁偏角指地球表面任一点的地磁子午线与地理子午线的夹角，即磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。沈括在世界上最早经实验证明了磁针“能指南，然常微偏东”，即地磁的南北极与地理的南北极并不完全重合，存在磁偏角。这比哥伦布横渡大西洋时发现磁偏角现象早了400多年。
沈括通过观察实验，对小孔成像、凹面镜成像等原理作了准确而生动的描述，他用“碍”（焦点）的概念，指出了光的直线传播、凹面镜成像的规律，并把光通过“碍”成像称之为格术，即现代光学中的等角空间变换关系。
沈括还对平面、凹凸面等镜面成像的不同进行研究，注意到表面曲率不同与成像之间的关系，并以此对“古人铸鉴”时正确处理镜面凹凸与成像大小的关系进行了研究与分析，提出若将小平面镜磨凸，就可“全纳人面”。
沈括还对透光铜镜的原理作出了正确推论，推动了后世对“透光镜”的研究。此外，沈括还第一次记录了“红光验尸”的内容，是中国关于滤光应用的最早记载，至今还有现实意义。
沈括通过对声学现象的观察，注意到音调的高低由振动频率决定，并记录下了声音的共鸣现象。他还用纸人来放大琴弦上的共振，形象的说明了应弦共振现象，这比诺布尔和皮戈特的琴弦上纸游码试验早了500年。
沈括还提出了“虚能纳声”的空穴效应，以此来解释兵土用皮革箭袋作枕头，可以听到数里外人马声的原因。此外，沈括还记录并深入分析了制钟的声学问题。
外交方面，熙宁七年（1074年），辽国派使臣萧禧出使宋朝，以国界争议为名，提出在蔚（今河北蔚县）、应（今山西应县）、朔（今山西朔州）三州两国边境重新以分水岭划界。
在宋朝内部，大臣们已看出辽国的用意是想侵吞宋朝国土，并借故挑起争端。但满朝大臣议论纷纷，却找不到实锤来拒绝契丹的无理要求。重新划界问题拖而不决，萧禧赖在驿馆不肯回国。
沈括为了搞清两国边境争端的始末，一头扎进枢密院翻阅历史档案，终于发现宋辽两国早年议定的地界图是以古长城为界，而如今争论的黄嵬山一带，距离古长城以南30多里，当然是北宋的领地无疑。宋神宗获悉沈括的新发现后，赞扬沈括说，“微卿无以折边讼”。没有你，我大宋的边境纠纷都搞不定啊。
熙宁八年（1075年），出使辽国的沈括一行，与辽国宰相、全权谈判代表杨益戒进行了六轮谈判，吸引了1000多人旁听。谈判中，沈括当仁不让，亮明宋朝的底线——黄嵬山一带的国土不容侵犯。杨益戒在事实面前仍拒不承认黄嵬山一带是宋朝领土，甚至威胁说：“数里之地不忍，终绝于好，孰利？”为了区区一个小地方，致使两国维持了几十年的和平友好关系破裂，那就得不偿失呀。
沈括厉声回应：“今北朝利尺寸之土，弃先君之大信，以威用其民，此遗直于我朝，非我朝之不利也。”我大宋爱好和平，但也绝不惧怕战争。如果你们一定要背信弃义，撕毁条约，那就来吧。所谓名不正则言不顺，只怕你们辽国的百姓也未必就喜欢战争。
辽国见沈括气势恢宏，理直气壮，在六轮舌战不占优势的情况下，终于收敛了部分无理要求。但是，一直惧怕“北人生事”的宋神宗却发出指示，按照辽人的意愿划地为界，让沈括的外交成果付诸东流。
水利方面，至和元年（1054年），沈括任海州沭阳县主簿，主持治理沭水的工程，修筑渠堰，不仅解除了当地人民的水灾威胁，而且还开垦出良田七千顷，改变了沭阳的面貌。
嘉佑六年（1061年），沈披任安徽宁国县令时，沈括还参与修筑芜湖万春圩的工程，写出《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的着作。
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