沈括的科学成就是多方面的。在此，我们只能采撷主要的成就来了解这位科学家的丰功伟绩。
沈括著《梦溪笔谈》
在天文历法方面，沈括的成就相当突出。他非常注重对天体的观测，在他主持司天监时，根据实测的日、月、五星的行度来改进历法，他支持卫朴进行历法改进，并于神宗熙宁七年（1074年）完成了《奉元历》。在仔细观察天体运行的基础上，他生动地描述了五星运行的轨迹和陨石坠落的情景。为了测验极星和天北极的距离，他一连三个月进行观测，每夜观测三次，共绘二百余图，得出了极星“离天际三度有余”的结论。他对晷漏颇有研究，并得出了超乎前人的见解，如第一次从理论上推出冬至日昼夜一天的长度“百刻而有余”，夏至日昼夜一天的长度“不及百刻”的重要成果。对于月亮盈亏的现象，他坚持“月本无光”，“日耀之乃光耳”的科学认识，“以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩；对视之，则正圆。”[18]并加以演示。他肯定了“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”[19]的观点，扫荡了前人“虹乃天地淫气”的唯心迷信说法。
在天文学成就上，沈括非常重视观测手段的改进，熙宁七年（1074年）七月“沈括上浑仪、浮漏、景表三仪”，这三种天文仪器主要是测量天体位置、时间和日影长短，但经过他的改进，观测精度大大提高。对于历法的改进，沈括颇有功绩，他主张使用十二气历，即“十二气为一年”。立春为一年的开始，“大尽三十一日”，“小尽三十日”；“一大一小相间，纵有两小相并，一岁不过一次”，这样就可做到“岁岁齐尽，永无闰余”，这就把传统的月相变化的内容注入到历法里。可惜此法未被采纳，反而招致一些人的围攻。