宋仁宗天圣九年（1031年），沈括出生于浙江钱塘（今杭州市）沈氏家族，祖父沈曾庆曾任大理寺丞，父亲沈周、伯父沈同均为进士。
沈括自幼勤奋好学，十四岁就读完了家里的藏书，并随父亲宦游州县，到过泉州、润州、简州和汴京等地，接触社会，增长见识，表现出对大自然的强烈兴趣和敏锐观察力。
沈括自幼体弱，加上读书十分用功，经常需要服食中药调理。钱塘沈氏在医药学颇有建树，有家传药学书籍《博济方》，受家庭影响，沈括也从搜集医方开始钻研医学。
皇祐二年（1050年），沈周知明州（今宁波市），沈括借居苏州母舅家，从舅舅许洞的著作与藏书中得益甚多，开始对军事产生强烈的兴趣。
皇祐三年（1051年），父亲沈周去世；至和元年（1054年），沈括以父荫入仕，任海州沭阳县主簿，遂治理沭水，开发农田，颇有政绩。工程结束后，沈括辞去职务，来到哥哥沈披在任的宁国县，准备科举考试。
嘉祐六年（1061年），沈披主持芜湖万春圩工程，沈括有治水经验，遂献计献策并作了详细记录。
嘉祐八年（1063年），沈括进士及第，因排名在前六名之外，按制守选。次年，沈括守选期满，授扬州司理参军，负责一州刑狱。
治平二年（1065年），经淮南路转运使张蒭推荐，沈括被调入京师，编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，并在闲暇研究天文历法之学。
熙宁元年（1068年），沈括升任馆阁校勘，有机会接触皇家藏书，进一步充实自己的学识。八月，母亲病逝，沈括辞官护送灵柩回钱塘。
熙宁四年（1071年），沈括守丧期满，进京述职，得到神宗和王安石的器重，被任为检正中书刑房公事。
熙宁五年（1072年），沈括奉命主持汴河疏浚工程，七月，加官史馆检讨。
八月，淮南饥荒，沈括受命巡察，发放常平仓钱粮，疏通河渠，修治荒田，取得明显成效，升任集贤校理，巡察两浙农田水利。两浙水利工程规模浩大，沈括建议出钱雇用饥民兴建水利，得到神宗的赞同。九月，沈括升任太子中允、提举司天监。当时的日官都是些庸碌之人，对天文几乎全然不知。沈括遂改革机构，改进仪器，召请卫朴修造新历法，并向全国征集观测天象的书籍。
十一月，朝廷登记民间车辆，市易司打算填封私井以阻止四川私贩井盐，民议纷纷。沈括进言：民间都是太平车，不利于机动作战；小盐井很多，填封私井势必要加强警戒，得不偿失。神宗赞同，次日诏停此二事，擢升沈括为知制诰、兼管通进、银台司。
熙宁七年（1074年）八月，沈括调任河北西路察访使，提举河北西路义勇、保甲公事。河北西路地处北疆，沈括上任后，将工作重点放在改革军政和巩固国防上。
熙宁八年（1075年）二月，沈括返京后，上疏提出三十一条整改意见，多数都被神宗肯定与采纳。九月，沈括兼任判军器监，负责兵器的铸造与储备。沈括对弓有很深的研究，提出“弓有六善”的观点，并建议大批制造“神臂弓”。到次年五月，军器监上报朝廷时，兵器产量提高了十几倍。
熙宁八年（1075年）二月，沈括奉命修订“九军战法”，分九军为九营，各自为阵，背背相承，面面相向，灵活多变，名之为“边州阵法”。九月，编撰城垒、军营等建筑的营造法式。
熙宁八年（1075年）三月，宋辽边界冲突，辽要求以黄嵬山为分界线，宋廷不同意。辽使萧禧到汴京，指责宋廷谈判不诚，拖而不决，留在馆舍不肯离去。沈括就到枢密院查阅以前的档案文件，发现宋辽过去商定的协议是以古长城为界，而黄嵬山在古长城以南，相距有三十里之遥，遂上表呈报朝廷。神宗赏赐沈括白金一千两，让他以回谢使的身份出使辽国。
四月中旬，沈括从汴京出发时，预先找出相关书信档案数十件，让幕僚和吏员背熟。契丹宰相杨益戒每有问题提出，沈括就让手下吏员列举档案条文作答。谈判先后进行六次，杨益戒无言可对，就威胁说，以数里之地、绝两国之好，不利于和平。沈括以国之道义、民之根本为理由，申明寸土不让。在沈括一行力争下，辽廷最终有所退让，紧张的宋辽关系得以暂时缓解。
七月，沈括起程回国，据沿途地理形势、风俗民情画撰为《使契丹图抄》，献给朝廷。因出使有功，沈括被提拔为淮南、两浙灾伤州军体量安抚使；十月，权发遣三司使。次年十月，拜为翰林学士、权三司使。
熙宁九年（1076年）十月，王安石罢相，吴充继任同中书门下平章事。沈括到丞相府汇报政务，吴充问及免役法，沈括建议减免穷人的役钱，吴充赞同并上疏汇报给神宗。十一月，沈括再次上书要求减免下户役钱，并建议朝廷将旧有的差役法和现行的免役法有机结合起来，实行“差雇并行”。沈括的这个观点是在王安石罢相后才提出的，对免役法的态度前后出现了微妙的变化，这就给反对他的人提供了口实。
熙宁十年（1077年），侍御史蔡确以依附大臣（吴充）、越权言事（免役法归司农寺负责）、前后态度不一等理由弹劾沈括。七月，沈括被罢去三司使、翰林学士，贬为起居舍人、集贤院学士、知宣州。
元丰元年（1078年），神宗打算起用沈括为知制诰、知潭州，蔡确再次上书，指责沈括“反复无常、附会大臣，被贬不足一年，不宜擢升”，诏命被撤回。
元丰二年（1079年）七月，沈括复职龙图阁待制、知审官院。
元丰三年（1080年），沈括改知延州，兼任鄜延路经略安抚使，抵御西夏。到了延州，沈括以朝廷所赐之钱买酒，召集边民子弟开展骑马射箭活动，并亲自给优胜者敬酒祝贺，边境百姓群情踊跃。活动持续了一年，沈括从中选拔出精锐之士，充实到边防部队，延州军队的声威远超其他州府。
元丰四年（1081年）十月，蕃部数万人进攻边关要塞顺宁寨，沈括派少将景思谊、屈理带三千兵马进攻蕃军；接着命前锋李达领千人出击，携带十万人的军粮，宣称鄜延路总帅沈括将亲自率军督战。蕃兵不知虚实，军心涣散。宋军乘势进攻，攻下磨崖寨，得男女万人，牛羊三万。
十一月，奉命西讨的河东兵十二将率军东还，经过鄜延，沈括抓住时机，命部将在绥德城炫耀武力，声称宋廷已任命沈括兼领河东十二将的兵力，不日即兴兵西讨。驻守的西夏军闻讯前来打探，果见大队人马聚集，声势浩大，信以为真，连夜弃城而逃。沈括兵不血刃的拿下了浮图、吴堡、义合。
元丰五年（1082年）二月，沈括以“守安疆界、就副边事有劳”，升为龙图阁学士。四月，西夏打算以金汤城为据点，招兵买马，攻打鄜延。沈括采取声东击西的战术，派副总管曲珍率军两万进军东川，扬言要去攻打葭芦，吸引西夏兵力布防，趁机攻下金汤。接着，沈括又用同样的策略攻下了葭芦。
元丰五年（1082年）五月，沈括与副使种谔奉诏条陈制夏方略，提出进取横山以筑城、以地理优势直接威胁西夏的战略主张，宋廷派给事中徐禧前往鄜延路节制军事，共同申议。七月，沈括建议筑城石堡、种谔提议银州、徐禧主张永乐埭，终定为永乐城。八月，神宗降诏徐禧总领筑城事宜，命沈括将帅府移到边界，以接济军用物资和救援。 十四日后筑成，徐禧令景思谊领四千人镇守，率余部返回米脂。
九月九日，西夏出兵三十万攻永乐城，曲珍忙报知徐禧，徐禧统兵两万五千往援，令沈括留守米脂。由于兵力相差悬殊，宋军失利，夏军乘胜围城，截断水源，永乐城危在旦夕。沈括率兵一万前去支援，被夏军阻在永定河岸；又羌兵八万袭击绥德，沈括权衡利弊，决定舍永乐而保绥德。种谔因反对筑永乐城遭徐禧排挤，心怀旧恨，遂以守延州为名拒绝出兵解围。九月二十日，永乐城失陷，徐禧、李稷、高永能、李舜举等殉国，折官两百三十人，损兵一万两千有余（永乐城之战），谋取横山的计划宣告失败。
沈括作为一路帅臣，在明知永乐城“路险而远、不利协防与救助；且地理位置险要，敌军必争”的情况下，不坚持己见，而选择迎合徐禧，对永乐城之败有不可推卸的责任。
元丰五年（1082年）十月十七日，宋廷以沈括“议筑永乐城，敌至却应对失当”为由，贬为筠州团练副使，随州安置。沈括到随州后，寓居于法云禅寺，无亲无故，且行动受到很大限制。随州的三年是沈括一生中最忧伤、灰暗的时期，他开始重新审视自己的政治生涯，甚至对从政萌生出一丝“悔意”。
元丰八年（1085年）三月，神宗驾崩，太子赵煦继位，是为宋哲宗，大赦天下。沈括也得以内迁，改任秀州团练副使，本州安置、不得签书本州公事。秀州地处江南，毗邻故乡杭州，沈括的心情得以从颓废中好转起来，遂专心于学问，开始整理熙宁九年奉旨编绘的《天下郡县图》。
元祐三年（1088年）八月，沈括编订完成《天下郡县图》，被特许到汴京进呈。哲宗赐绢百匹，准许沈括在秀州境内自由行动。
元祐四年（1089年）九月，沈括改任朝散郎、守光禄少卿、分司南京，准于外州居住。接到诏命后，沈括就举家搬迁至早年在润州购置的梦溪园，在此隐居，创作《梦溪笔谈》。
绍圣二年（1095年），沈括因病辞世，享年六十五岁。
据《宋史·艺文志》记载，沈括的著述有22种155卷。除《梦溪笔谈》外，还有综合性文集《长兴集》《志怀录》《清夜录》，医药著作《良方》《苏沈良方》，科学著作《浑仪议》《浮漏议》《景表议》《熙宁奉元历》《圩田五说》《万春圩图记》《天下郡县图》《南郊式》《诸敕格式》《营阵法》，音乐类著作《乐论》《乐律》《乐器图》等，但存世较少。
2011年五月，浙江大学出版社出版了杨渭生教授点校、辑佚《沈括全集》，全书八十五卷（含附录一卷），一百一十万字，是迄今为止海内外收集沈括著作最齐全的版本。
隙积术
隙积术指如何计算垛积，沈括运用类比、归纳的方法，以体积公式为基础，把求解不连续个体的累积数，化为连续整体数值来求解，已具有了用连续模型解决离散问题的思想。在中国国数学史上，发展了自南北朝时期就停滞不前的等差级数求和问题，并推进到高阶等差级数求和的新阶段，开创了中国垛积术研究的先河。
南宋数学家杨辉、元朝数学家朱世杰，在沈括的基础上进一步研究，取得了令世人瞩目的成就。
会圆术
会圆术，实际上是指由弦求弧的方法，其主要思路是局部以直代曲，对圆的弧矢关系给出一个比较实用的近似公式。在中国数学史上，沈括第一个利用弦、矢求出了孤长的近似值。这一方法的创立，不仅促进了平面几何的发展，而且在天文计算中也起了重要的作用，为中国球面三角学的发展作出了重要贡献。
会圆术问世后，得到了广泛应用，郭守敬、王恂等都用到过会圆术。
磁学
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。
光学
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。
声学
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。
胆水炼铜
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。
胆矾化铁成铜的记载古已有之，西汉淮南王刘安《淮南万毕术》、东晋葛洪《抱朴子》均有类似记载。据郭正谊考证，沈括的记载录自中唐时期成书的《丹房镜源》。但直到宋哲宗绍圣五年（1098年），张潜主动将《浸铜要略》献给朝廷，在北宋政府的大力提倡下，胆铜法生产才被迅速推广开来。
石油制墨
世界上最早记载有关石油的文字，见于东汉史学家班固所著的《汉书》。历史上，石油曾被称为石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等，直到北宋，沈括才在世界上第一次提出了“石油”这一科学的命名。
据沈括记载，鄜州、延州境内产石油，当地人常采集到瓦罐里，用于照明。这种油形似纯漆，燃起来像烧麻杆，并冒着很浓的烟，能把帐篷都熏黑。沈括将其命名为石油，并以石油碳黑制墨，光泽、亮度方面都很理想，于是就大量制造，并命名为“延川石液”，苏轼用后评价“在松烟之上”。
改进仪器
浑仪是测量天体方位的仪器，经过历代的发展演变，到北宋时，结构十分复杂，使用起来很不方便。沈括对此作了很大改进：取消了浑仪上不能正确显示月球公转轨迹的月道环，放大了窥管口径，使其更便于观测极星，既方便了使用，又提高了观测精度。元世祖至元十三年（1276年），郭守敬创制的新式测天仪器——简仪，就是在这个基础上产生的。
漏壶是古代测定时刻的仪器，沈括对漏壶也进行了改革，把曲筒铜漏管改做直颈玉嘴，并且把它的位置移到壶体下部。这样流水更加通畅，壶嘴也坚固耐用多了。
沈括还制造了测日影的圭表，他意识到了蒙气差对测量精度的影响，主张采用三个候影表来观测影差，以克服蒙气差对精度的影响，据此制成的新式圭表，提高了北宋圭表测影的技术水平。
天象观测
沈括对天象进行细致的观测，取得了一些新的发现与观测结果。例如，沈括用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算，一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为51秒。
沈括还详细观察了五星运行轨迹和陨石坠落时的情景；并为测量北极星与北天极的真实距离设计了窥管，每夜3次，连续三月，得200余图，得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。
改革历法
熙宁五年（1072年），沈括提举司天监，发现《大衍历》沿袭至宋已落后实际天象五十余刻，遂破格提拔卫朴改革旧历；熙宁八年（1075年），《奉元历》修成颁行。新历法改动了闰月和朔日的设置：熙宁十年冬至的临界时分原用午时，新历改用子时；闰十二月改为闰正月，以补算岁日朔日。
晚年时，沈括大胆革新，进一步提出了《十二气历》，以代替阴阳合历。按中国古代历法，阴历和阳历每年相差11天多，虽采用置闰的办法加以调整，仍有很多缺陷。沈括发明的新历，不用闰月；不以月亮的朔望定月，而参照节气定月；一年分为12个月，每年的第一天定为立春，这样既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。900 年后，英国气象局用于统计农业气候的 《萧伯纳历》，其原理也与《十二气历》相同。
脱脱：①博学善文，于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算无所不通，皆有所论著。②沈括博物洽闻，贯乎幽深，措诸政事，又极开敏。
纪昀：括在北宋，学问最为博洽，於当代掌故及天文、算法、钟律尤所究心。
祖慧：沈括是一位具有很强敬业精神、工作认真务实、能够体恤民情的良吏。但他却不是一位出色的政治家，不具备政治家应有的胆识与果敢坚毅。
席文：在中国科学技术史上，沈括是最多才多艺的人物之一。
李约瑟：①（沈括是）中国整部科学史中最卓越的人物。②（沈括是）中国科学史上的坐标。
三上义夫：①沈括这样的人物，在全世界数学史上找不到，唯有中国出了这样一个。我把沈括称做中国数学家的模范人物或理想人物，是很恰当的。 ②（古代）日本的数学家没有一个比得上沈括。
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