三十多岁开始，沈括经常梦见一个地方：先是登上一个小山丘，上面花木如锦，山下有流水清澈，两岸乔木郁生。十多年后，一个道士告诉他，有人要卖地，虽然沈括没有看过那块地，竟然也买了下来。又过了几年，在他退休之后，路过该地，于是顺便去看看。一看大吃一惊，竟然就是他梦中所游之地，于是他就定居下来，并在此写下他一生的研究发现，这个神奇的故事，就是中国科学史上大名鼎鼎的《梦溪笔谈》的来源。

《梦溪笔谈》分十七类，计有：故事、神奇、异事、谚谑、杂志、人事、辩证、乐律、象数、官政、权智、艺文、书画、技艺、器用、药议。

沈括在物理学上的研究成果显著，他主要的贡献在磁学，光学，声学等领域。

在磁学上，书中谈及指南针的偏向问题，这是世界上有关地磁偏角的最早记录,他指出指南针是由人工磁化而成，并讨论了指南针的四种装置法,在光学上，沈括透过观察实验，对小孔成像，面镜、面镜成像；及镜的放大和缩小规律作出了具体的说明，他也研究过西汉透光镜的原理，也作过一番科学研究。

在声学上，沈括曾剪小纸人作实验，利用纸人在琴上的跳动来显示声音的共振现象；在化学方面，他研究鄜延境内的石油矿藏和用途，注意到石油资源丰富，而“石油”一词更是他首先使用的，在地理方面，他利用流水侵蚀的学说和对海陆变迁的科学解释，阐明了雁荡山峰和华北平原形成原因。

在历法方面，他发明的隙积术和会圆术，对后世的数学发展产生过深刻的影响。

《梦溪笔谈》也记录了有关自然现象的论述，包括雷、电、风、霜、虹、海市蜃楼和龙卷风等自然现象的记载，书中也有一些关于活字印刷、匠师喻皓的建筑成就、河北工人炼钢、福建农民种茶等宝贵经验。在社会科学方面，书中也反映当时最新的学术成就。在绘画方面，他注重透视学，认为画山水如人看假山，又提到画马不画毛，形象而贴切地说明以大缩小的原理。

著名科学家李约瑟称誉沈括“中国整部科学史中最卓越的人物”，赞许《梦溪笔谈》是中国科学史的里程碑。