沈括学识渊博，成就卓著，在天文、地学、数学、物理、化学、生物、医药以及水利、军事、文学、音乐等许多领域都有精湛的研究和独到的见解。他一生撰书多种，据《宋史·艺文志》载，其著述有22种155卷，但据《梦溪笔谈》和宋代诸家书目，此外尚有18种。现在尚存的只有《梦溪笔谈》26卷、《补笔谈》3卷、《续笔谈》1卷、《长兴集》残存本19卷和《苏沈良方》中的一部分沈括医方，其他均已失传。

《梦溪笔谈》是以笔记体裁形式写成的科学典籍，全书总计30卷，分成17类，609条，10几万字。内容涉及天文、历法、气象、数学、地质、地理、物理、化学、医药、生物、建筑、冶金、文学、史学、音乐、艺术及财政、经济等等，可以说是一部集前代科学成就之大成的光辉巨著。因此，倍受中外学者的高度评价和推崇，被誉为“中国科学史上的坐标”。在世界科学史上都享有很高的声誉。

沈括的物理知识是多方面的，其研究成果也是极其丰富而珍贵的。《梦溪笔谈》中涉及力学、光学、磁学、声学等领域。特别在磁学方面研究成果尤为卓著。他最早记载了人工磁化的一种简便方法，即“以磁石磨针锋”，造指南针。是世界历史上第一个指出地磁场存在磁偏角的人，即磁针所指“常微偏东，不全南也”。西方的这一发现要比沈括的发现晚400年。关于磁针的装置法进行了详细的讨论，即水浮法、指甲旋定法、碗沿旋定法和单根蚕丝悬挂的缕悬法，最后指出用丝线悬挂的方法最好。

在光学方面，对针孔成像和球面镜成像规律作了仔细研究，并作了通俗生动的论述，力图进行理性的概括。他提出了“碍”的概念，指出“阳燧（凹面镜）照物皆倒，中间有碍故也。……窗隙中楼塔之间，中间为窗所束，亦皆倒悬，与阳燧一也”。这里的“碍”是指某种特殊的几何点，例如小孔成像的孔、凹面镜的焦点或曲率中心。他所记载的“红光验尸”法指出，当尸体的伤痕不易发现时，可在中午用新的红油伞罩在用水浇了的尸体上，则伤痕可见，这是由于红油伞实际起了滤光器的作用，尸体伤痕的青紫处，在红光下比在白光下看得清晰。另外，他对古代透光镜也作过比较合理的解释。

在声学方面，用纸人显示声音的共振，是沈括的一个发明。古代的琴（或瑟）上，都有宫、商、角、徵、羽、少宫等弦，其少宫、少商分别比官、商高八度音。他剪了一个纸人放在少宫或少商弦上，弹动宫弦或商弦时，在相应的少宫或少商弦上的纸人就会跳动起来，而弹其他弦时，纸人则不动。用两只琴（或瑟），将纸人放在一只琴的弦上，弹动另一只琴时，相应的弦上的纸人就会跳动。沈括将这种情形统称为“应声”，并指出这是正常的规律。沈括在声学上还提出了“虚能纳声”的见解，即将牛革箭袋放在地上当枕头，“附地枕之，数里内人马声，则皆闻之”。从现代物理学观点看来，这是由于地面下传来的声波能量衰减小，而箭袋的空腔起了集声作用的缘故。此外，他还研究了古乐钟的发声、古琴的制作和传声等。