宋廷不便驅逐他出境，于是派遣知制誥沈括找出證據。沈括字存中，號夢溪丈人，也就是後來寫成《夢溪筆談》之人。天聖九年，沈括出生于杭州錢塘沈氏家族。他的祖父沈曾慶曾任大理寺丞，他父親沈周、伯父沈同均為進士。沈括自幼勤奮好學，十四歲就讀完了家里的藏書 。之後，他隨父親宦游州縣，到過泉州、潤州、簡州和汴京等很多地方，增長了見識。
沈括自幼體弱多病，加上他讀書十分用功，經常需要服食中藥調理。錢塘沈氏在醫藥學頗有建樹，有家傳的藥學書籍《博濟方》。受到家庭影響，沈括也從搜集醫方開始，鑽研醫學。沈周知明州的時候，沈括借居在蘇州母舅家，從舅舅許洞的著作與藏書中，得益甚多。他開始對軍事產生了強烈的興趣，為他以後指揮作戰奠定了基礎。
至和元年，沈括因為父蔭而入仕，擔任海州沭陽主簿。他大力治理沭水，開發農田，頗有政績。工程結束後，沈括辭去職務，來到哥哥沈披在任的寧國縣，準備科舉考試。當時沈披主持蕪湖萬春圩工程，由于沈括有治水經驗，于是他獻計獻策，並作了詳細記錄。
嘉祐八年，沈括進士及第，授揚州司理參軍。後來沈括被調入京師，編校昭文館書籍，參與詳訂渾天儀，他在閑暇之余，又開始研究天文歷法。熙寧元年，沈括升任館閣校勘，有機會接觸到皇家的藏書，進一步充實他的學識。
一次，沈括在開封相國寺，見到高益的一幅壁畫，內容為樂工同奏，很有意境。但人們都詬病，彈琵琶的樂工撥錯了弦。管樂吹奏的都是「四」字音，在琵琶的上弦，但畫上撥的卻是下弦。沈括經過仔細觀察，認為高益畫的沒錯。他指出，弦樂跟管樂不同，演奏管樂的時候，手指按在什麼音，就發什麼音。琵琶則不同，只有當手指撥弦之後，才會發音，動作早于聲音。因為這樣，彈琵琶的樂工手指不在「四」字音的上弦，而在下弦。足見畫家的布置巧妙，匠心獨運，眾人大為佩服沈括的見識。
唐朝白居易曾和朋友結伴游廬山，寫了不少詩，其中一首是《大林寺桃花》。沈括讀到這首詩，非常驚訝，帶著譏諷的口吻評道︰「既然‘四月芳菲盡’，怎麼會‘桃花始盛開’呢？大詩人也寫出這樣自相矛盾的句子。可謂‘智者千慮，必有一失’呀！」說完，他也就把這事給忘掉了。
後來，有一年春夏之交，沈括到一座山上考察，他見到了白居易詩中的奇景︰四月天氣，山下眾花凋謝，山頂上卻是桃花紅艷。他這才猛然想起白居易的詩來，領悟到自己錯怪了大詩人，也從中發現了高度對季節的影響。由于山上氣溫低，春季到來要晚于山下。
于是他找來白居易的詩，發現前面有一篇序。序中寫道︰「大林寺山高地深，時節絕晚，于時孟夏月，如正二月天。梨桃始華，澗草猶短。人物風候，與平地
聚落不同。」沈括很有感慨地說道︰「都怪我讀書不仔細，經驗太少！」
熙寧四年，沈括守母喪期滿。他得到趙頊和王安石的器重，被任為檢正中書刑房公事。接著沈括奉命主持汴河疏浚工程，被加任史館檢討。按照慣例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏員常借此修建園林、謀取私利。沈括考察南郊大禮的歷史沿革，撰成《南郊式》，被任命掌管郊祀事務。沈括按新禮儀辦事，節省費用數以萬計，趙頊對此十分滿意。
淮南饑荒，沈括受命巡察。他發放常平倉錢糧，疏通河渠，修治荒田，取得明顯成效，升任集賢校理，巡察兩浙農田水利。兩浙水利工程規模浩大，沈括建議出錢雇用饑民興建水利，得到趙頊贊同。
沈括到兩浙視察的時候，蘇軾剛好在杭州任通判。兩人曾是崇文院同事，有共同語言很多。不同的是，沈括支持王安石，蘇軾傾向于司馬光。政見雖然不同，沈括還是去看望了蘇軾。老朋友久別重逢，相見甚歡。蘇軾十分熱情地接待了沈括，沈括問蘇軾︰「最近可有好作品，能否讓兄一睹為快？」蘇軾按捺不住興奮，立馬拿出新鮮出爐的作品。沈括說道︰「寫得真好，我可否抄錄幾首？」蘇軾對沈括沒有提防之心，爽快地答應了。沈括工整地抄好，如獲至寶地帶回京城。
沈括回京之後，得知御史何正臣、李定一正想整蘇軾，兩人是蘇東坡的對頭。沈括猛然記起自己帶回的蘇軾幾首詩，于是他閉門謝客，仔細研究蘇軾的詩作。功夫不負有心人，他終于找到幾句含大不敬的詩句。如蘇軾歌頌檜樹，「根到九泉無曲處，世間唯有蟄龍知」，沈括心想，「皇帝如飛龍在天，可蘇軾偏偏向九泉之下尋蟄龍，不臣莫過于此！」他連忙寫了一道折子彈劾蘇軾，交給了趙頊。但趙頊當時並未追究。
不過，趙頊不追究，並不意味著蘇軾就沒有事。五年後，何正臣、李定一聯手上表彈劾蘇軾，這就是著名的「烏台詩案」。他們手中的證據，正是他們從蘇軾詩里挑選出來的幾句有大不敬的句子，與沈括的做法如出一轍。比如︰「東海若知明主意，應教斥鹵變桑田」，被認定蘇軾指責水利工程。「豈是聞韶忘解味，邇來三月食無鹽」 ，被說成蘇軾是諷刺禁止百姓賣鹽，罪大惡極。最後，趙頊下令將蘇軾打入大牢。蘇東坡差點丟了老命，還連累了三十多位親朋好友，令人唏噓。這是後話，略過不提。
沈括回京之後，趙頊很滿意他的表現，于是升他任太子中允、提舉司天監。當時的官吏大都是庸碌之人，對天文幾乎全然不知。沈括于是改革機構，改進儀器，召請衛樸修造新歷法，向全國征集觀測天象的書籍。
朝廷登記民間車輛，市易司打算填封私以阻止四川私販井鹽，民議紛紛。沈括進言道︰「民間都是太平車，不利于機動作戰；小鹽井很多，填封私井勢必要加強警戒，得不償失。」趙頊表示贊同，次日下詔停了此事，並擢升沈括為知制誥、兼管通進、銀台司。
之後，沈括調任河北西路察訪使，提舉河北西路義勇、保甲公事。河北西路地處北疆，沈括上任後，將重點放在改革軍政和鞏固國防上。沈括返京後，上疏提出三十一條整改意見，多數都被趙頊肯定和采納。
不久，沈括兼任判軍器監，負責兵器的鑄造與儲備。沈括對弓有很深的研究，提出「弓有六善」的觀點，建議大批制造「神臂弓」。次年五月，軍器監上報朝廷時，兵器產量提高了十幾倍。沈括奉命修訂「九軍戰法」，分九軍為九營，各自為陣，背背相承，面面相向，靈活多變，名之為「邊州陣法」。不久，他又編撰城壘、軍營等建築的營造法式。
宋遼邊界沖突，沈括接旨之後，就到樞密院查閱以前的檔案文件。他發現宋遼過去商定的協議是以古長城為界，而黃嵬山在古長城以南，相距有三十里之遙。于是他上奏道︰「宋、遼的分境，本以古長城為界。現在所爭在黃嵬山，相差三十余里，如何可讓？」趙頊不覺嘆息道︰「大臣不考本末，幾乎耽誤國事。」于是賞賜沈括白金一千兩，讓他以回謝使的身份出使遼國。
沈括從汴京出發時，預先找出了相關書信檔案數十件，讓幕僚和吏員背熟。契丹宰相楊益戒每有問題提出，沈括就讓手下吏員列舉檔案條文作答。談判進行了六次，楊益戒無言可對。遼國宰相于是威脅道︰「區區數里，你們居然不想給我們，莫非想自絕兩國之好嗎？」沈括奮然道︰「師直為壯，曲為老。北朝如果棄信失好，曲有所歸，這對我朝有什麼害處？」表示寸土不讓。
沈括起程回國，他又根據沿途地理形勢、風俗民情畫撰為《使契丹圖抄》，獻給朝廷。因為這次出使有功，沈括被提拔為淮南、兩浙災傷州軍體量安撫使。次年十月，他拜為翰林學士、權三司使。
趙頊看了沈括的奏章後，擔心邊恐疆的協議達不成，就想北伐。王安石說戰備沒有準備好，應該緩舉。此外一班朝廷的輔臣，有人主戰，有人主和，意見也不一樣。趙頊于是稟告了太皇太後曹氏，太皇太後問道︰「儲蓄以及準備獎勵的東西，是否已經準備就緒？士卒的盔甲、武器，是否精利？」
趙頊答道︰「這是容易籌辦的事情。」太皇太後卻說道︰「先聖有言，吉凶悔吝生乎動。如果北伐得到了勝利，不過是南面受賀。萬一受到挫折失敗了，損失就更大了。我想遼國如果容易圖謀，太祖、太宗，應該早就收復了，哪里還會等到今日？」趙頊無奈，只好說道︰「敢不受教！」
趙頊退回之後，依然不甘心，想派使去問魏國公韓琦。不料韓琦已經病死，遺疏到了京城。趙頊于是停朝發哀，追贈韓琦為尚書令，謚忠獻，配享英宗廟庭。