后任史管检讨，集贤院校理，提举司天监，军器监，三司使等职。在此期间，撰写了《浑仪议》、《浮漏议》、《景表议》、《修城法式条约》、《营阵法》。还多次出使，视察了很多地方。熙宁八年，沈括以翰林侍读学士的身分，出使契丹交涉划界事宜，获成而还。他在出使途中绘记了辽国山川险阻及风俗人情，成《使虏图抄》，上于朝廷。熙宁十年（1077年），沈括出任宣州知州（今安徽宣城）。元丰三年（1080年），改任延州知州（今陕西延安）。元丰五年（1082年），被诬贬职。元丰二年（1079年），爆发乌台诗案，依王铚《元祐补录》笔