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皇祐二年（1050年）沈周因“不樂事利權”辭任江東路轉運使，貶知明州（今浙江寧波），沈括則回到蘇州借宿母舅家學習。母舅許洞是當時有名的軍事理論家，雖然當時許洞已經過世，但沈母許氏從小耳濡目染，將許洞的一些兵法傳授給沈括兄弟。沈括因為在昏暗條件下堅持練字得了眼疾，王琪再度趕來治療，雖然一年后沈括病愈，但后遺癥令其“楚痛凡三十年”。所謂久病成醫，根據《蘇沈良方》記載，沈括在這時候開始邊讀書，邊學習服氣法并研究醫學。在他病愈的這一年，父親辭官回到錢塘，很快于11月病逝。沈括和兄長沈披回到錢塘守喪丁憂，憑借父親托付的“官壽行世”字條請在舒州（今安徽懷寧）出任通判的王安石作墓志銘，皇祐四年（1052年）10月葬父于錢塘龍居里（今杭州市西湖區留下街道龍駒塢附近）。沈括在丁憂期間記錄了畢昇的活字印刷術和喻皓的《木經》，當時畢昇已經去世，活字印刷術并沒有推廣開來，沈括親自改進了活字印刷術，很快“沈氏活版”和“沈存中法”開始在杭州流行起來。
沈括官服畫像
沈括的父親為官清廉、積蓄不多，母親也已經年邁，父親過世令家庭生計每況愈下，沈括再結束丁憂后馬上開始謀求生計，至和三年（1054年）沈括憑借父親恩蔭出任海州沭陽主薄。主薄是知縣的幕僚，負責各種雜務，品秩低下，工作辛苦。當時前任沭陽知縣因為治河不利導致征用的民夫叛亂，沈括實地調查發現農民造反一方面是政策反復無常導致民心動搖，另一方面是監管的官吏態度蠻橫、肆意延長勞役時間，因此他罷免了監管工人的官吏，和民眾約定將勞役時間從40日縮減為30日，不僅平息了叛亂，還成功疏浚沭水，開辟出7000畝良田。沈括后來回憶這段經歷，稱自己為了掙錢養家才去做官，主薄為“仕之最賤且勞”，自己以前能夠花費大量時間鉆研各種學問，如今只能嚴于律己、盡力而為，做好本職工作。至和二年（1055年）沈括以主薄身份代知鄰近的東海縣。嘉佑六年（1061年）沈括到兄長沈披治下的寧國縣準備科舉，期間兄長沈披主持修復蕪湖萬春圩，然而萬春圩完工四年后洪水毀壞圩堤，反對派卷土重來，沈括于是書寫《萬春圩圖記》詳錄此事并具載圩田方法，希望未來能夠推廣圩田，直到南宋時期圩田才得以在江南大規模推廣。
沈括做主薄多年不僅沒有提拔，反而三度面臨廢黜。宋朝對進士出身官員有提拔上的優待，因此沈括想要像侄子沈遘一樣通過科舉改變出身。當時歐陽修以提攜后進聞名天下，嘉佑五年（1061年）沈括將自己潛心研究所成的《樂論》獻與歐陽修，沈括在《樂論》中批評了當時樂壇一昧仿古而不知其意的風氣，強調音樂的教化作用，但這篇文章沒有收到歐陽修的回應，沈括還在晚年曾經寫過文章諷刺歐陽修擔任科舉考官的事跡。嘉祐六年（1062年）沈括在蘇州以吳縣籍貫考中當地解元，次年二月，沈括進京參加禮部組織的省試，時任知舉官范鎮，兩位主考官為司馬光和王安石，沈括成功考中進士，并憑借解元身份覲見宋仁宗，接著依照當時科舉程序回到家鄉等待守選，等待官職出缺補任。治平元年（1064年），沈括獲得了揚州司理參軍的職缺，掌管一州司法事務。揚州平山堂曾經是歐陽修延攬天下名士的場所，歐陽修走后荒廢多年，揚州知州刁約便任命剛剛到任的沈括重修平山堂。治平二年（1065年）沈括的上司淮南路轉運使張蒭向朝廷舉薦沈括，后來沈括娶張蒭三女為繼室并拜其為師。在張蒭保舉下，沈括于當年9月入京出任編校昭文館書籍，按照宋代制度官員供職昭文館兩年便可以升入館閣，館閣官員提拔不受常規限制，宰輔重臣大多出自館閣，這也預示著沈括很快能夠平步青云。熙寧元年（1068年）沈括順利轉任館閣校勘，接觸到許多皇家私藏有關天文、歷法的書籍，并得以參與渾天儀的制作，并對比天文觀察結果計算得出現有歷法的錯誤。同年八月沈括母親許氏溘然長逝，沈括辭去官職，和兄長一起護送母親靈柩返回故里、與父合葬，并請來曾鞏撰寫墓志銘。
治平四年（1067年）宋英宗去世，新君宋神宗旋即任命王安石為翰林學士。熙寧二年，宋神宗正式任命王安石為參知政事，轟轟烈烈的變法運動由此展開。熙寧四年（1071年）沈括守喪期滿，回京復職，升任檢正中書刑房公事，這一官職正式熙寧變法新設的官職，繞過保守派集中的中書門下，直接監督和管理中書門下刑房事務，變法派安排沈括這樣的新人出任這一職務旨在掃除保守派在這些部門的影響力，提高行政部門執行變法的效率。沈括出任這一官職，由此成為宰相屬官，亦即代表其獲得了王安石和宋神宗的認可。
熙寧五年九月沈括被委以重任，受命疏浚汴河。汴河航道事關京城百萬人口生計，北宋又在汴梁附近布下重兵，因此汴河作為糧草轉運要道自然備受關注。為了保障汴河水位穩定、航道暢通，北宋政府專門引來黃河水補充水源，汴河也因此接受了大量黃河泥沙，久而久之也成為了同黃河一樣的地上懸河，當時汴河河底已經高出汴梁一丈二尺有余，嚴重威脅首都軍民安全。以王安石為首的熙寧黨人決定從汴河治理入手推進變法，相應提出淤田法，然而守舊派對此法批評不已，變法派自然就想到了知識淵博、有過治水經驗的沈括。沈括也不負眾望，利用自己在數學、測量學、水利學領域的知識成功疏浚汴河，汴河沿岸受益淤田也逐年增加。沈括還接手了《南郊式》的制定，根據變法富國強兵的精神對開銷巨大、步驟繁多的南郊大禮刪繁就簡、節省開支，新制定的典儀獲神宗采納。
至遲從熙寧五年（1072年）九月開始，沈括出任提舉司天監公事。當時保守派以“天變”和“災異”詰難聲稱“天變不足畏”的王安石，因此天文領域也成為了新舊黨爭交鋒的戰場。沈括在擔任館閣官員的時候就打算修正歷法，掌管司天監后發現官吏皆是恩蔭世祿、不學無術，并且人浮于事、串聯造假，留存的天文儀器都有失精準，因此大力整頓班底，從民間請來衛樸等精通數學、天文學的學者，改良了既有的渾儀、浮漏等儀器，而衛樸也在沈括的提攜下成功制定《奉元歷》，得到宋神宗嘉獎。沈括也因為在司天監的功績被宋神宗提拔為知制誥，連升三級，一舉成為皇帝的近臣。
熙寧六年（1073年），宋廷任命時任於潛縣令郟亶在江南修建水利緩解水患，變法派的呂惠卿擔心自己在蘇州的田產受到影響于是反對修建水利，結果郟亶因為旱災去職，朝廷任命沈括巡查兩浙農田水利。根據《續資治通鑒長編》的記載，當時宋神宗拿不準是否要派沈括，于是問計于王安石，王安石就回答沈括是本地人且做事嚴謹、心思縝密，在水利領域不容易犯錯。太湖平原西高東低，沿海地帶又存在地勢較高的岡身，因此平原中央的蘇州成為地勢最低、最容易發生水患的地方，沈括治水也是從蘇州入手，前后籌劃長達半年，然后向朝廷請旨以工代賑，借鑒前人經驗循序漸進建立水利工程，疏通太湖入海通道，并在溫州、臺州、明州等地組織圍海造田，然而他調離兩浙之后就有人彈劾他的水利工程破壞良田、濫支公帑，雖然沈括一再堅持自己的工程規劃，但宋神宗還是決定暫停，這項工程直到宋徽宗朝才得以完成。沈括在兩浙還巡查檢視方田均稅法的實施情況，期間請求減免了兩浙絲帛上貢負擔，還發現當時兩浙路官員通常只在較近的浙西地區巡查，浙東的溫州、臺州等地多年沒有官員巡查，因此主張拆分兩浙路為兩浙東路和兩浙西路，宋廷按照沈括意見拆分兩浙路，不過一年之后就恢復原制，直到南宋時兩浙路才得以拆分。
熙寧六年（1070年），沈括未能等到水利完工被調往河北西路，負責邊境巡查及保甲法實施，在此期間他和變法派領導人呂惠卿、王安石結怨。沈括到達河北之后，首先和定州安撫使薛向一起考察河北邊防地理，并制作了邊界地區的地形模型進獻宋神宗，宋神宗下令推廣這一做法。沈括回到汴梁后，又向宋神宗提出改善邊防的31條意見，重新恢復河北的泊塘防線以削減敵人騎兵優勢，改造邊境不利于宋軍作戰的地形，通過坊市法編籍邊民以防奸細，通過保甲法、義勇法組織民兵戰時抵御遼軍。沈括在保馬法上和王安石存在沖突，變法派鼓勵邊境居民養殖軍馬，培育宋軍騎兵作戰能力，沈括則批評契丹氣候天生適合養馬，邊境養馬反而加重邊民負擔，宋軍應該揚長避短以弓弩制勝，沈括提出這一意見時王安石已經罷相，王安石或許因此認為沈括落井下石。熙寧七年（1074年）九月，沈括接任章惇出任軍器監通判，此時的軍器監是變法派剛剛從三司中分離組建的新部門，沈括在任內大力改革，生產武器數量超過之前數倍，他還大力推廣神臂弓，總結煉鋼經驗，研究步兵戰法，制定了《修城法式條約》以規范城池建設。
北宋在變法后國力改善，并且熙寧五年在河湟之戰戰勝西夏，遼朝也作出行動進行反應。熙寧五年秋，遼軍南渡拒馬河侵入北宋境內，王安石主張強硬應對，次年遼國派出使節聲稱宋朝駐軍侵犯遼國領地、主張以分水嶺為界，宋神宗同意重新劃定邊界。在任命沈括之前，邊境談判持續數年，直到熙寧八年遼朝派遣蕭禧出使宋朝，指責宋朝故意遷延，堅持要宋朝割讓黃嵬山，宋神宗才任命沈括出使遼國“回謝遼使”。沈括在出發前在樞密院調查資料，發現宋遼兩國一直是以古長城為界，黃嵬山在長城以南數十里，并稟告神宗實情始末，宋神宗因此斥責了呂惠卿為首的一班大臣不究本末、幾誤大事，呂惠卿遂記恨沈括。沈括出發后，朝野上下都生怕談判失敗、契丹大軍南下，沈括路過雄州時寫下遺表交給時任雄州安撫副使的兄長沈披，擔心自己出使之后不能活著回來，因此將自己對于邊防的看法寫下來轉交給朝廷。沈括在遼廷據理力爭，連續與對方會談六次，每次都能夠拿出證據駁倒空口無憑的遼臣，并且詳細記錄了談判的過程，最終不辱使命、順利得歸。雖然沈括順利出使遼朝，宋神宗最后還是選擇割地求和。
熙寧八年十月，沈括在呂惠卿罷相后受命接替受到彈劾的章惇掌管三司，總理國家財政，沈括在任期間以改革鹽鈔、討論錢幣、討論役法為三大要政。沈括針對當時鹽鈔因通貨膨脹貶值、地方私自發鈔侵蝕中央財政等現象，提出《鹽蠹四論》，指出鹽業生產額有限而政府發行貨幣額已經超出鹽業商品總額，最終導致貨幣貶值，主張收買舊鈔改善通貨膨脹，平衡各地鹽價，允許地方私人賣鹽。沈括試圖改善北宋通貨緊缺的局面，針對劣幣驅逐良幣的現象反對王安石開放私人鑄銅及擴大鐵幣流通范圍，希望通過改善鹽鈔信用以紙幣取代金屬貨幣，并向神宗建議采用金銀貨幣提高金銅比價，并且主張減少貿易逆差以防止銅幣外流。沈括最終因為免役法一事為變法派的蔡確彈劾免職。
早在改革鹽鈔時司馬光就詬病沈括為人反復、趨炎附勢，在王安石在位的時候附和王安石食鹽官賣，待變法派失勢又開始允許私鹽販賣。免役法實施問題早在沈括巡查兩浙期間就有人提出，當時第五等民戶（即最下等民戶）往往出不起免役錢，如果按照舊法他們原本不需要承當傜役，因此時任權發淮南西路提點刑獄陳樞就請求減少最下等民戶的免役錢并獲得批準。沈括在巡查兩浙回來以后也提出減免本路最下等民戶免役錢，但沒有獲得批準，后來新任宰相吳充詢問他免役法非議，沈括回應免役法損害士大夫和城市居民利益，此二者非議固不足奇，但底層百姓亦受害于免役法，應該免除其免役錢。變法派的蔡確也抓住這一點，蔡確就羅列沈括四大罪狀：1. 暗中向宰相進獻反對意見，企圖破壞免役法；2. 越權插手司農寺負責的免役法，為謀私利附和宰相；3. 見到免役法實施不足之處不向朝廷直言卻先到宰相那里進言；4. 反復無常，為一己私利變換立場。由于沈括是皇帝近臣，沈括一開始沒有受到懲罰，然而在蔡確一再上書下，宋神宗終于在熙寧十年（1077年）十月初九下詔罷免沈括，貶謫至宣州（今天安徽宣城）擔任知州。沈括在宣州期間烏臺詩案爆發，有傳言是沈括進獻詩集誣陷蘇軾，然而此時他并不在京城。此后宋神宗多次嘗試召回沈括，但因為沈括辭謝和大臣反對未能成功，直到呂惠卿回鄉丁母憂宋神宗才將沈括調離宣州。
永樂城之戰示意圖
元豐三年（1080年）宋神宗將沈括調至宋夏戰爭前線的鄜延路，出任延州知州兼的鄜延路經略安撫使，總領一路兵馬。宋神宗對于沈括經略西北寄予厚望，在沈括赴任之前還命其入京覲見，面授機宜。此時西夏內亂，宋朝朝野上下都主張出兵滅夏，沈括手下鄜延路副總管種諤甚至上書稱僅僅憑借本路兵馬，不用征發糧草，就能夠輕易攻下西夏。宋神宗最終決定出兵，任命種諤為鄜延路經略安撫副使，種諤成為沈括的副手，種諤負責前線指揮，沈括負責留守后方。宋軍五路大軍在元豐四年九月傾巢而出，因指揮官宦官王中正不懂軍事、貪功冒進，十一月戰敗而還；十月夏軍見宋朝后方空虛進攻沈括鎮守的鄜延路，沈括在順寧以4000多人大敗敵軍，俘虜萬余人；十一月沈括借前線撤退軍隊經過領地，假稱大軍壓境逼退夏軍；事后沈括憑借本路軍功升至龍圖閣直學士。沈括在戰后抵御夏軍反攻，在金湯大敗夏軍，接連奪回許多城寨，沈括和種諤聯名上書要求占據橫山北麓、大漠以南水草豐美的地帶，破壞西夏在此的后勤補給，并建議修復古烏延城固守，宋神宗派來徐禧節制軍事，徐禧深受神宗厚愛，神宗雖不滿其阿附呂惠卿但也希望他能在外有所作為，因此他野心勃勃地認為應該在更加遠離后方、更加貼近夏軍的永樂埭修建城池，沈括此時也遷就徐禧趁著種諤入京詳談建城事宜率領軍民修筑永樂城。種諤得知后堅決反對，徐禧將其貶為留守延州——很快夏軍決定進攻永樂城，種諤作壁上觀；沈括率領1萬人馳援，受阻于無定河一線，適逢羌領凌結阿約勒襲擊邊防重鎮綏德，沈括于是決定回援；永樂城的守軍失去救援之后幾乎全軍覆沒，沈括和種諤占據橫山的軍事計劃也毀于一旦。
元豐五年十月七日，宋神宗以“始議城永樂，既又措置應敵具乖方”為名追責沈括為戰敗元兇，將其貶至隨州，實際上將其軟禁在隨州法云寺。神宗駕崩后，繼位的哲宗大赦天下，沈括得以遷移至毗鄰蘇州、杭州的秀州，沈括在謝表中表示“重見故里，獲庇余生”，十分感激哲宗——沈括在秀州完成了在熙寧九年即已奉命編繪的《守令圖》（又名《天下州縣圖》）進獻哲宗，元祐三年（1088年）八月宋哲宗下詔賞賜沈括，解除了對他的軟禁，允許他在秀州境內活動。次年九月哲宗下詔允許沈括到外州居住，當時朝中保守派力諫反對，哲宗一度收回成命，十月再敘前命，沈括才最終完全解除人身限制。根據嘉定《鎮江志》收錄的《夢溪自記》，沈括從三十歲開始就一直做同一個夢，在夢里他看見一座小山為花木所錦簇，錦簇之下更有流水，流水潺潺清澈見底，水底又是喬木樹蔭投射的一片光影婆娑，沈括心想這便是我未來的歸處；沈括一直沒有見到這樣的景色，他貶謫宣州時偶然從道士手中花費三十萬錢買下了一間急售的潤州園林，后來他在潯陽的熨斗洞搭建屋舍，打算在廬山山腳安度晚年，元祐元年他調職秀州，到了潤州終于見到了自己的那間園林，才發現這正是夢中的那片風景，于是把園中山、水命名為百花堆、夢溪，待其恢復自由后就舉家搬遷此處。其間，寫成了《夢溪筆談》，以及農學著作《夢溪忘懷錄》（已佚）、醫學著作《良方》等。沈括在潤州度過了安穩的四年時光，期間熙寧變法被推翻，沈括也被列入新黨罪人之列；沈括還在潤州第一次遇到蘇軾，并贈予石油制墨，蘇軾特意寫《書沈存中石墨》回贈；接下來一年里沈括大病一場，日益消瘦。根據沈括姻親朱彧在《萍洲可談》的記載，沈括繼妻張氏驕蠻兇悍，平時常虐待沈括，兒女們抱頭痛哭，跪求張氏息怒；又驅逐元配之子，在秀州時年年狀告其父子，但是張氏去世後，沈括竟鬱鬱寡歡，過揚子江時，一度跳水尋短，並於隔年去世。
沈括在計量、算術、幾何領域都有獨到見解，將其在數學領域的知識應用于各種技術領域。沈括曾經總結籌算的簡便運算法，總結出求一（乘除法乘數首位為1的計算）、上驅（將其它乘法運算轉化為求一）、重因（或稱搭因，即將乘數因數分解為單位數，以避多位數乘法）等方法。沈括研究音樂學和天文學的時候考察了宋代度量衡制度，考訂宋尺比周尺為2530:1845，按照沈括的計量宋尺長度應為31.53厘米，與考古文物實物相近；他還考證宋升系今天670.39立方厘米或740.74立方厘米，根據南宋劉輝計算宋升約為673立方厘米與沈括前述計算有相似；沈括計算的宋斤為930克，但考古實物約為640克，相差較大。沈括在幾何領域發明了會圓術和隙積術：沈括的會圓術是由《九章算術》圓田術發展而來，利用圓的弦長、矢高、直徑求弓形弧長的近似值，元代的郭守敬在沈括公式基礎上進一步推導出弧矢割圓術；所謂隙積是指三維空間內疊棋、壘酒等積累形成的空隙大小，實際上指代二階等差數列求和，沈括推導出其求和公式并加以解釋。沈括還是研究組合數學的先驅者之一，沈括研究過一行的棋局都數問題（即圍棋能夠有多少種下法），估算總數為（實際為），此外沈括還在組合構造、組合優化領域有所開拓。沈括主管三司期間記錄了許多數學的實際應用問題，其中包含計算地租、估算需求、貨幣流通等等，沈括在西北戰事也有利用數學計算軍隊布陣所需占用的空間，還估算固定物資供應條件下戰役可以持續的最長時間。
沈括模仿戰國時代的墨子進行了小孔成像和陽燧（凹面鏡）取火的實驗，沈括解釋了凹面鏡照射成倒像的遠離，認為凹面鏡和物體之間存在如同窗隙一樣的“礙”（即今天的焦點），“礙”起到收束光線的作用，光線通過“礙”投射物體則會出現倒像，相反如果物體在凹面鏡上則永遠不會出現倒像，如果位于“礙”處則不會成像，再遠離才會出現倒像，但是沈括將凹面鏡焦點成像的原理和小孔成像作類比，現代科學已經證明兩者原理不同。沈括的這一發現早于歐洲研究者，歐洲直到15世紀達芬奇才發現了焦點的作用。沈括還對聲學有所研究，他解釋了共振現象的原理，并且作出弦共振的科學實驗。沈括研究過聲源形狀與聲音的關系，通過研究得出規律，認為扁形的鐘“聲短則節”，圓形的鐘“聲長則曲”，兩者發聲之后振幅衰減程度存在差異。雖然共振已為古代樂人所熟知，但沈括認為共振是自然界的普遍規律，并且以琵琶為例說明管樂也能夠引起弦樂的共振現象。沈括在調試七弦琴的時候使用紙人進行共振實驗，琴弦發生共振時紙人會跳動，沈括借以說明共振是由于音律高下相同產生。藉數學計算，沈括發現《史記·律書》按三分損益法調音的黃鐘大小「八寸七分一」有抄錄錯誤，訂正為「八寸十分一」。
沈括在醫藥學領域詳細描述了中醫診斷、開方以及中草藥選材、預制、管理等方面的重難點。沈括十分關注有關中醫診斷的細節，考察傳世文獻的準確性，探究不同種類中草藥的提煉和使用，對藥材適宜種植、收獲的時間及各部位的要用價值都有深入研究——尤其是那些家養本草，他詳細記載了其種植、施肥等方面的細節。沈括記錄并系統描述了中國發現的上百種動植物、礦物的特性，為中國古代植物學、動物學和礦物學作出貢獻，例如沈括就論及雌黃可以用于擦拭紙張書寫錯誤。沈括記錄的秋石方被李約瑟認為是中國人在10世紀使用尿液提取性激素用于治療的證據，發表于《中國科學技術史》中，但從1981年開始海峽兩岸學者開始質疑這一論斷，張秉倫、孫毅霖等學者在安徽宣城復現了當年沈括的煉制方法以及秋石方的其它煉制方法，模擬實驗顯示秋石方中并不能檢驗出性激素，但這一結果并沒有得到所有人認可。
中醫有檢驗人體的傳統，王莽就有過解剖死刑犯尸體確定病癥的記錄。沈括也對解剖學感興趣，并根據實驗反駁了“人有水喉、食喉、氣喉”的傳統醫學觀點，認為人頸只有咽、喉，咽對應消化道，喉對應呼吸道，后來的醫學書籍都根據沈括觀點進行了糾正。沈括在中醫藥性發明，批評繼承了前人“藥有君臣佐使”的觀點，當時馬永卿將藥方歸納為“ 一君、二臣、三佐、四使”，沈括這種歸納雖然用藥眾多，但起到療效的主要還是“君藥”，所謂“一君”也不一定就只有一種藥物，用藥應該根據形勢選取不同配方，沈括還發展了中醫的服氣法和“五臟生化”。雖然沈括的醫學理論尚未脫離傳統中醫理論，但他主張診斷依據驗（觀察）、跡（病征）、原（探究）和理（發展規律），深入分析藥物制作和服用過程中可能影響藥性的各種步驟，一定程度上具備了近代實證醫學的思想。
《營造法式》在沈括死后出版發行
中國古代四大發明有三個在北宋發展完成，而由沈括記錄的發明就有活字印刷術和指南針，沈括還記載了許多北宋時期出現的發明成就。沈括在夢溪筆談中記載宋仁宗慶歷年間平民匠人畢昇發明了陶瓷活字印刷術。盡管畢昇不是最早發明活字印刷的人，但他的改良方法在當時具有革命性意義。沈括注意到這種技術對于印數較少的情況不太受用，但適用于大規模印刷。沈括是在畢昇生前第一也是唯一記載其生平以及發明創造的人。盡管畢昇生平細節鮮為人知，但根據沈括記錄在他死后他的學生繼承了畢昇的發明，沈括也得以見到當年制造的活字。此后歷史上沿用沈括方法進行活字印刷的記錄不乏其例，甚至還有一些流傳至今：在畢昇過世200年后，南宋的周必大使用沈括在《夢溪筆談》記載的方法在紹熙四年（1193年）排印了自己的新書《玉堂雜記》；元朝太師姚樞也曾令子弟楊古使用“沈氏活版”印刷程朱理學作品；后來王禎也提及了類似陶活字的膠泥活字，并且在擔任旌德縣令期間改進了現有活字印刷術，改用木活字，發明轉輪排字架解決活字尋字排版問題。朝鮮王朝的金宗直曾在高麗活字本陳簡齋詩集上題跋：“活版之法，始于沈括，而盛于楊惟中。天下古今之書籍，無不可印，其利博矣。”
最晚到沈括生活的年代，中國人開始將指南針用于航海。沈括最早記錄了指南針磁北和真北之間的差異，發現了地磁偏角的存在。沈括還記載了人工磁化技術——使用天然磁石摩擦鐵針，然而將鐵針懸浮水中制成簡易指南針——他同時也記錄使用懸縷法制成的指南針效果最好，但人工磁化的指南針有時也會指向北方。沈括使用指南針標記24個方位，此前古人僅僅標記8個方位，沈括死后航海家也開始使用24位定向法。沈括之所以使用24位定向，可能緣于其對子午線的認識，沈括已經認識到北極星和指南針所指示的北極和子午線的正北存在偏差，沈括也許還受到其制圖經驗的啟發。朱彧在《萍洲可談》中第一次留下指南針用于航海的記錄，但朱彧將這件事追溯到沈括生前寫作《夢溪筆談》的時間，因此在沈括生活的年代中國人可能就已經開始使用指南針航海，沈括的記錄對于了解中國古人利用指南針航海至關重要。
沈括的記載是干船塢最早在中國投入使用的唯一證據，根據他的記載北宋熙寧年間黃懷信為了修復百年前修建、長達60米的龍船，建造了世界上第一座干船塢，并在船塢頂部架棚以遮蔽風雨。沈括還記載了的發明——大運河上的真州閘——新船閘大大提高了運河通行效率，降低了運營所需的人力物力，通行船只噸位限制由原先的21噸提升至113噸。沈括還記載了喻皓的《木經》，根據沈括自己的描述中國人在10世紀已經開始按比例劃分建筑單元以便于分級建造，沈括也感嘆當時建筑工藝發展迅速，但沒有人能夠再去重寫《木經》這樣的作品，直到沈括死后才有《營造法式》出版發行；雖然《木經》今天已經失傳，德國亞洲藝術博物館館長魯克思（Klaas Ruitenbeek）認為我今天所見沈括的記載很有可能是他本人對《木經》的概括或者直接取材自《木經》殘篇。
181x181像素沈括在地球科學諸多領域存在建樹。沈括在地質學領域，論證了地球的海陸變遷和水的侵蝕作用：沈括出任河北西路察訪使時曾沿著太行山北行，根據自己在太行山中發現的貝殼化石推論太行山在古代曾經濱海，暗示華北平原為海退形成，太行山距離海洋超過千里大概是漫長時間“濁泥所湮”所造就；沈括在熙寧五年疏浚黃河時曾經測算黃河淤泥的沉積速度，得出當時黃河淤泥厚達10米，平均每年增高一厘米，同時他在雁蕩山考察峽谷地形，將之與黃土高原地區并結為水流下切形成的地形，雖然晚于阿拉伯科學家阿維森納提出侵蝕理論，但遠遠早于歐洲，歐洲直到18世紀現代地質學之父赫登才確立這一觀點。
沈括也是北宋制圖領域的專家，他的《守令圖》包括了23張記載北宋及周邊形勢的地圖，每一張都是依照“二寸折百里”（1:900,000）等比例繪制；《守令圖》在元代以后失傳，但有學者考證1964年四川榮縣發現的《九域守令圖》碑刻可能系沈括作品的部分仿制品。李約瑟考證中國人制作地形模型的歷史或可追溯到漢代，當時的制陶工人就已經在蓋子上刻制假山作為裝飾；《后漢書》則記載東漢時的馬援在建武八年（32年）“聚米為山谷，指畫形勢”，利用大米制造地形模型指揮戰爭；沈括在出使遼國期間也利用面糊、木屑和熔蠟制作了地形模型，后來他的制圖方法推廣用于北宋邊防事務，歐洲要到18世紀才由瑞士人制作出同類型地形模型。
沈括還對古生物學和古氣候學有所涉略。沈括還提到治平年間澤州有人在他家后院發掘出狀如龍蛇之物，時人推測這可能是某種生物的化石；晉城縣縣令程伯純也查驗此物，認為化石某些結構可見于今天某些海洋生物；沈括則將此物歸為“石蟹”。沈括在出任延州時曾經遇到永寧關大河河岸崩塌，崩塌后地下數十尺全部暴露，顯露出盤根錯節的石化竹林遺跡，他于是思考這些竹子是生長于哪個朝代，考慮到竹子適合生長于溫暖潮濕的環境，他認為西北內陸的延州或許古代也有一段時期溫暖潮濕。他還認為，既然石化的竹子可以在竹子今天生長范圍之外發掘出來，各地的氣候或許也存在變遷現象。后來的學者根據沈括記錄考證沈括見到的化石其實并非竹子，而可能是已經滅絕的蘆木。盡管沈括的研究啟發了不少讀者，例如南宋理學家朱熹也受啟發研究過化石，但中國古代并沒有發展出古氣候學。
沈括對氣候學和物候學也有研究，他指出各地溫度由于緯度、高度不同存在變化，同一植物開花時間也受影響在不同高度、不同緯度有著不同發育期，同時指出人類干預可以改變植物生長和發育時間。沈括還研究過海潮的形成原因，反駁盧肇海潮因為日出日沒形成的理論，肯定了唐代竇叔蒙和封演的觀點，指出海潮是受到月球運動產生。沈括還糾正過各地書籍對于地理的錯誤記載，反駁經文河流注入五湖的論點，認為河流均注入大海；他批駁各地志書喜好攀附名人勝景導致地名重復、錯亂的現象，例如東海縣曾有墓地被地方官員誤判為漢代疏廣、疏受墓地，沈括就糾正二疏系東海蘭陵人，蘭陵并非在當時的東海縣境內，今日的東海縣系漢代贛榆縣演化而來。沈括還是最早記錄龍卷風的東亞人，直到20世紀初歐美研究者才在中國發現北美以外的龍卷風現象。沈括認為彩虹為陽光照射下形成的水中日影，后世研究者認為這一點已經接近現代大氣折射理論的科學解釋，歐洲最早是由13世紀的羅吉爾·培根提出彩虹的色彩是由陽光折射產生。他還記錄里北宋不同地區的物產，將西北地區的“石脂水”正式命名為“石油”，稱贊此物將來必然會大行于世。
沈括在農學領域主要有三點貢獻，一則支持并親自規劃、實施農業水利，二則總結大量農業技術，三則在農業生物學和耕作技術上有著自己的見解和主張。沈括重視水利的思想可能來自于他的兄長沈披，沈括最早也是通過治理沭河得到提拔，在王安石變法中也是積極支持農田水利法，身體力行實施淤田法并為新法立論辯護，并且對于兩浙水利也有貢獻。沈括在園藝方面也很有研究，根據現存《夢溪忘懷錄》，沈括曾經總結出一套種植竹子的方法，并為許多農書引用；沈括老家在杭州西溪（亦是杭州龍井茶產區之一），受到家鄉種茶風氣影響，沈括也懂得種茶技術，并且作有茶樹栽培專論《茶論》，雖然這本書已經失傳，但從《夢溪筆談》記載也可知一二；沈括亦將其對于物候學的觀察亦用于農業生產領域。
北京古觀象臺的沈括像及渾儀沈括在天文學領域有全面貢獻。雖然沈括仍然保持類似地心說的學術論點，但他在天文觀察中已經發行行星在恒星背景運行時會逆行形如柳葉形，哥白尼也正是通過這一現象證明日心說。沈括為了提高觀察準確性，改進和簡化渾儀，采用燕肅的平水壺作為新的刻漏，作有《浮漏議》《渾儀議》《景表議》三文，系統論述刻漏、渾儀、日晷的制作原理和使用方法。沈括通過這些儀器糾正了古人觀察到日晷和刻漏對應時間存在偏差以為刻漏夏冬滴水快慢不同的錯誤觀點，認為這實際上是由于太陽視運動不均導致晝夜長度變化，夏天白晝時間長于冬天，可惜他用于觀察太陽視運動的“圓法”“妥法”并沒有流傳下來，根據近代嚴敦杰考證其實類似于連續函數的插值法，沈括實際上以高階插值法取代了原先的線性插值法。
沈括改進了5世紀祖暅之發明的窺管，增長其半徑以便校準，通過長達三個月的觀察，糾正了古人認為北極星不動的觀點，觀察得出北極星（當時的北極星為今天的天樞星）其實偏離北極“三度有余”，實際上也是隨著地球自轉在緩慢移動，他的成果后來為同時代的蘇頌記錄在《新儀象法要》的第4幅星圖中。沈括繼承了張衡、京房“日似彈丸，月似鏡體”亦即月相是由月球反射太陽形成的學說，并且解釋了為什么天體是球形，但是沈括并沒記錄自己是否也支持地圓說，地圓說可能要到明代才由徐光啟和利瑪竇傳入中國。沈括對于行星運轉有著自己的理解，他和衛樸認識到由于視在太陽日存在變化，既有根據平均太陽日計算的歷法必然存在較大偏差。因此沈括和衛樸一道五年內每夜三次記錄星月運行軌跡，推測得出月球其實也和地球一樣繞日公轉，月球公轉軌道像一根繩子一樣纏繞在地球公轉軌道上。沈括在天文觀察中還發現蒙氣差現象，即天體光線會在通過地表大氣時產生折射，太陽的實際高度角要比視在高度角低，同時期阿拉伯科學家海什木也發現了這一現象。
沈括和衛樸制定的奉元歷最大的特點使用陽歷取代陰歷，歷法也首次和遵照地球公轉規律的二十四節氣相吻合，避免了陰歷需要設置閏月減少節氣和實際月份之間偏差的問題，沈括稱之為十二氣歷法，新歷法每年天數已經和今天的公歷相同。雖然沈括和衛樸證明了先前的歷法計算存在較大偏差，但保守派官僚依舊固執己見，故意排斥平民出身的衛樸，沈括拿出實驗結果后他們也只是勉強認可月球繞日公轉，天文觀測中仍有許多錯誤得不到糾正。沈括和衛樸的歷法后來還是受到廢黜。
除去科技史和歷史地理學的成就，沈括在史學上推崇司馬遷，對于班固指責司馬遷作《游俠列傳》《貨殖列傳》誹謗圣賢的說法不以為然，司馬遷的思想也影響到沈括的寫作。沈括和司馬遷一樣，客觀中立描述了李順起義的前因后果，揭露了當時官文的捏造，他還關心民間的能工巧匠，詳細記錄了當時許多出身平民的發明家，例如他筆下發明活字印刷術的畢昇、他所保舉的天文學家衛樸等等；沈括還注重當時財經情況，詳細記錄了茶葉“三說法”和“三分法”、劉晏的均輸法及沈括考察其于東南的實施情況等等，為后世研究北宋財政經濟提供重要史料。沈括對于邊疆防務，尤其是自己親身經歷的出使遼國、宋夏戰爭也有著清晰的記錄，可以與相關史料對照參考，糾正《宋史》之不足，沈括自己也曾經對許多史料進行考訂，并且親身進行過考古研究。
沈括和同時代的士大夫一樣愛好古玩和考古，考古學家夏鼐統計《夢溪筆談》中涉及考古學的有28條，其中涉及古器物學的有15條，涉及考古發掘和窖藏的有7條，涉及古墓和古城的有6條，拋去有關地質和氣候變化的條目，沈括的考古研究上溯新石器時代的石斧、商周時期的青銅器、戰國玉器和畫像石，下抵六朝古墓、唐代玉釵等等，時間跨度長達千余年，幾乎涉及考古學的方方面面。不同于當時士大夫考古以追求恢復古禮，沈括更偏向于根據自身經驗推斷和研究物品的原始使用和制造方法。沈括批評當時士大夫不去考察考古發掘的實物證據，僅憑自己臆測復原古代器物，沈括還對于凡物皆由圣人和先賢所造的經學理論不以為然，認為大多數器用都是由古代平民百姓所創造。弗雷澤和哈伯（Fraser & Haber）則認為沈括考古更加注重跨學科研究，沈括將其考古發現運用于冶金、光學、幾何學以及地理測量等領域的研究。沈括在司天監工作的時候，就根據模型和古文記載復原古代渾天儀。沈括在研究光學的時候，也有使用自己收藏的古董鏡子。沈括研究古代武器，記載了古代弩機上的瞄準工具，并且研究古代使用復合鋼材鑄造的刀劍，推測其劍刃由鍛鐵和低碳鋼制成，而鋒尖則是使用高碳鋼鐵制成。沈括根據自己的考古發現，推斷古甬鐘頂部存在空心結構以便于懸掛。沈括還深入古墓，根據墓穴壁畫推測漢代服飾的原貌。沈括在海州獲得考古新出土的古代弩機，并且發現弩機上有帶刻線的十字瞄準裝置，通過這一裝置可以計算遠處山脈的距離及高度，李約瑟認為這種裝置類似西方最早在14世紀記載的。
沈括愛好音樂，對于書畫亦有所鑒賞。沈括在《夢溪筆談》記錄里中國古代音樂的發展歷史，并詳細記載了北宋時期的宮廷雅樂、宴會燕樂、和世俗清樂，他反對士大夫一昧追求雅樂的復古，相反肯定了新興的燕樂和清樂——沈括詳細記載了北宋清樂中樂曲短小的清調、音調復雜的平調、節奏急促和側調三種調式，但沈括最杰出的貢獻在于他對燕樂的記載，沈括是唯一正確記載燕樂二十八調的人——他記錄了燕樂的各調、調式所用的音和音域，分辨了古代和當時音階的區別，同時也是中國古代音樂節奏的最早記錄，沈括的燕樂也是遺存最早使用工尺譜記錄的樂譜。沈括不僅精通音樂，還專長樂器，他是最早記載胡琴的人，同時還記錄制琴的各種工藝細節，研究過古代出土的甬鐘。沈括批評漢代學者使用樂律附會歷法的做法，計算十二律管長，并且概述了律管音高有關的四種數字及計算方法，沈括還闡述了圓鐘和扁鐘的發聲原理，解釋了樂器間的共鳴現象，并且提出琴瑟“隔四相應”（音高差八度）共鳴。沈括還在歌詞、聲樂和樂器演奏有過論述：沈括批評當時文人認為樂曲從屬于歌詞、不依據曲調隨意填詞的現象，主張聲樂相從，聲意相諧；沈括主張歌唱吐字和發聲相互結合、轉換無雜音，聲音頓挫抑揚，含蓄有味，聲音之間的共鳴、力度變化、音量增減都要在字腹完成；沈括還記載了當時稽琴演奏家的技藝，他還記載了七弦琴的調弦法，晚年亦以琴為友。沈括對于音樂的鑒賞，則在于形神兼備，追求“意韻蕭然，得于聲外”的境界，他創作了《樂論》《樂器圖》《三樂譜》《樂律》，可惜全部失傳，只有《夢溪筆談》有關音樂的記載流傳下來。
沈括的書畫收藏極為豐富，根據《夢溪筆談》和宋人筆記就有閻立本《秦府十八學士圖》、王維《袁安臥雪圖》、董源《落照圖》以及王羲之《筆精帖》、王獻之《日寒帖》等等，宋四家之一的米芾曾為沈括家中藏品所魂牽夢縈，并且為沈括臨帖晉人墨跡。雖然沈括大部分藏品都是在貶謫期間收藏，但他從小就熱愛收藏字畫，慶歷八年就搜得謝朓書海陵王墓志銘碑文，他也因此熟知書畫的鑒別，批評了一些不著邊際的鑒畫方法，米芾也記錄過沈括錯將自己字畫認作古物的尷尬案例。沈括認同歐陽修欣賞“蕭然淡泊”的旨趣，認為書畫神勝于形，書法應該超脫法度、出神入化，繪畫也要造理入神、體現畫意，例如沈括收藏的王維《袁安臥雪圖》為人詬病雪中芭蕉不符合時令出現，沈括就認為畫中芭蕉非但合理，反而更是畫作的點睛之筆，雖然超脫生活常識但體現了畫家的新意和情操，這也是北宋文人畫崇尚抒發主觀情感、體現個人性靈與理想大背景的個例體現。沈括評價當時繪畫最妙是為山水畫，無論山水畫還是人物畫他都最推崇王維，沈括于花鳥畫最喜好水墨花竹，尤鐘情徐熙的作品。
沈括在政治思想上比較接近王安石，并且兩人有著許多相同之處，例如都推崇孟子、都作有《孟子解》——沈括的《孟子解》對“民貴君輕”作出了深入闡述，認為所謂“天”即“民”也，君子不為一君存亡，也不為一姓存亡，他所需要做的正是順從天心民意，君子不應該是高高在上勞心者治人，而是與民共進退，士大夫也應該和民眾一樣從事勞動。沈括年輕時代曾經立下志向，希望將來可以比肩孟子，然而等到晚年貶謫江南，朋友來過問此事，沈括又是拿孟子“是以論其時也”回應，亦有孟子“達則兼濟天下，窮則獨善其身”的變通處世之道。沈括很大程度受到宋代儒學學者推崇博學和疑古思潮的影響，然而他將博學和懷疑精神推之于科學研究中，認為理寓于萬事萬物之中，并像理學家一樣致力于窮自然之理、科學之理。沈括對于自然界最基本的觀點是，世間萬物無時無刻不處于變化之中，為此他熱衷實驗、潛心觀察自然界的各種變化現象，考察自然界變化的規律，并將之付諸實踐，例如沈括認為人在一天中不同時間服用藥物效果會有所不同，具備了初步的生物鐘意識。沈括的自然哲學觀點不同于當時的儒家思想，更加接近于道家的思想主張，道家認為宇宙浩瀚無垠，人類通過科學實驗只能認識到世界的一小部分，沈括也引用《易經》來表達天文學粗淺的實驗方法無法探求宇宙的大道極致——席文認為沈括是人類歷史上第一位“清晰分辨人類所獲得的零碎經驗和我們試圖解釋的統一因果世界之間差異”的人，彼得曼和沙夫斯坦（Biderman & Scharfstein）則認為沈括的這一思想亦體現于古希臘赫拉克利特、柏拉圖和德謨克利特的作品中。沈括篤信天命與讖緯學說，并嘗試解釋其中關聯，他對異象、命數和災變深感興趣，但也訓誡世人不要迷信命定論。沈括曾記錄過這樣一件怪事，自己友人家遭到雷擊，全屋梁壁及漆器均無損失，只有金屬物品熔化，然后做出以下評論：
沈括在《孟子解》中也論述過所謂君子之道，認為僅僅憑借感官和思維獲取經驗無法取得完整真理，沈括對于孟子的理解亦體現出其內心基于道德觀的自治觀念，這一觀念也驅使他自主實現人生價值。沈括在儒家經典之外，對于各類神祗和佛學禪修都有論述和研究。
沈括的大部分作品可能在蔡京主政期間遭到銷毀，蔡京恢復了王安石變法的改革措施，他也毫不留情地迫害舊黨成員，并且篡改有關于新舊黨爭不利于新黨的文獻。根據《宋史》等文獻記載，沈括著作至少達40多種，遍及經史子集，胡道靜在1956年出版《夢溪筆談校證》中詳列沈括作品清單，統計現存作品僅6種，2011年浙江大學的楊渭生教授則將其花費30年搜集的沈括作品合編為85卷本的《沈括全集》出版。
《夢溪筆談》書影
《夢溪筆談》系沈括軟禁隨州期間開始創作，并最終成書于沈括遷居夢溪筆園之后，現存最早號稱為南宋孝宗乾道二年揚州州學刊本，此本實為明代覆宋本，明商濬編《稗海》將《筆談》《續筆談》《補筆談》合編，明末馬元調據《稗海》本增補《續筆談》《補筆談》，補《續筆談》至3卷。1950年代，胡道靜根據清光緒的三十二年番禺陶氏愛廬刊本著成《夢溪筆談校證》和《新校證夢溪筆談》，將筆談內容分為507條。宋史稱《筆談》共計30卷，《沈括全集》則收錄《筆談》26卷、《續筆談》3卷、《補筆談》1卷。《夢溪筆談》匯集沈括畢生心血，其科學史料部分占全書35%以上，在中國乃至世界科學史都占有重要地位。
除《夢溪筆談》外沈括作品流傳較廣的當屬《長興集》，《長興集》主要收錄沈括的詩詞歌賦和政府公文，多數系后人輯錄，現本出自南宋初年處州司理參軍高步將合編的《三沈集》，該本輯錄了沈括的《長興集》和其侄沈遘、沈遼的作品，《長興集》原共41卷，至明初覆本時僅存19卷，清康熙五十七年（1718年）吳允嘉補正《三沈集》，后來《四庫全書》則僅僅收錄明初覆本。明初覆寫的《長興集》詩歌部分盡數散佚，后來胡道靜、王驤先等學者則從古籍中輯佚沈括詩歌，重新整理的《長興集》存文183篇、詩65首。《蘇沈良方》最早出現于南宋初年，系沈括在夢溪園所著《良方》15卷間雜蘇軾醫方所得，亦作15卷本，自《蘇沈良方》刊行后《良方》本篇不斷散佚，今僅存《蘇沈良方》10卷，其中藥方出自沈括《良方》者至少170條。2011年出版的《沈括全集》在補校《夢溪筆談》《長興集》和《蘇沈良方》之外，另外輯佚《靈苑方》66條、《夢溪忘懷錄》63條以及《清夜錄》《熙寧奉元歷》《惠民藥局方》部分內容：《靈苑方》原為20卷，《良方》中多有提及，為沈括早年作品；《夢溪忘懷錄》原有3卷，舊題《懷山錄》，沈括晚年改名為《忘懷錄》，歸類為農書，主要討論種植方法及食品加工，亦有論及出游工具和景點；《清夜錄》原有1卷，系沈括輯錄鬼怪傳說的合集；《熙寧奉元歷》為熙寧八年（1075年）沈括和衛樸合作纂成，系二人創制新歷的官方報告，新歷并未得到政府的全面實施，至南宋初年即已散佚，紹興九年（1139年）史官為修《神宗正史》求此歷而不得，惟清代李銳輯佚并據元代相關技術推證得《補修宋奉元術》，蓋復原原書一小部分，亦為《沈括全集》所收錄。然而包括《南郊儀》110卷、《熙寧奉元歷經》14卷、《熙寧奉元歷備草》6卷、《比較交觸》6卷在內的大量作品已盡數亡佚。
鎮江夢溪園展覽廳
姚新中在《儒學百科全書》中評價，沈括雖因參與變法列名新黨罪人，但史書多認可其博學多才，姚氏還贊譽沈括的《夢溪筆談》是證明中國在12世紀前科技成就所不可或缺的原始材料。《宋史》評價沈括“括博學善文，于天文、方志、律歷、音樂、醫藥、卜算，無所不通，皆有所論著”，這種觀點一直延續到清朝，清代《四庫全書總目提要》則稱贊“括在北宋學問最為博洽，於當代掌故，及天文算法鍾律，尤所究心”。20世紀以來，隨著中國科技史研究的開展，對沈括的評價逐漸由沈括由博學的文學作家轉為科學家。
中國國內對本國科學史的研究始于20世紀初，當時就帶有愛國主義情緒，一直比較偏重于沈括這類中國科技史上的正面案例，至1949年中華人民共和國成立和1953年朝鮮戰爭爆發后以后就越發強烈，文革批林批孔運動中則趨于極端化的群眾運動，這種歷史觀念一直影響到今天的科學史研究。對沈括的科學史研究起源于1926年竺可楨發表的《北宋沈括對于地學之貢獻與紀述》，隨后浙大的張蔭麟先生在1936年發表《沈括編年事輯》第一次以“科學家”評價沈括，竺可楨校長還曾在浙大玉泉校區建立了存中館以紀念沈括，由于兩位先生都是浙大德高望重的教授，因此浙大學人中許多人后來也加入了沈括研究的行列中。根據臺灣學者傅大為的統計，截至1982年已經出版的中國科學史研究論文中沈括名字出現頻率高居榜首，成為最受現代學者青睞的古代科學家，亦是兩岸教科書中國科學史部分的標志性人物。
學術界乃有斷言稱研究中國科學技術史必然離不開沈括和他的《夢溪筆談》，而對于沈括及《夢溪筆談》研究最為深入者莫過于胡道靜先生，胡道靜先生以1956年出版《夢溪筆談校正》一舉成名，用盡一生收集、校正和輯佚沈括作品，然而在文革期間他不僅險身囹圄近十年，他嘔心瀝血編撰的《夢溪筆談補證》《蘇沈良方校證》《沈存中佚書鉤沉》約40萬文字盡數“毀于秦火”，胡道靜先生直到文革結束才得以繼續沈括研究。文化大革命批孔運動期間，沈括被列為與儒家對立的法家代表人物，也因此在1970年代涌現出一批以批評儒家為基調的沈括研究作品。沈括雖然列傳于《宋史》且評價不低，但內容有許多“顛倒乖張”之處，從張蔭麟先生的研究開始史學家逐漸厘清其生平，至1962年宋史研究專家張家駒先生寫成第一本有關沈括的學術性傳記——《沈括》；《沈括》出版后很長時間都沒有后繼作品出現，“中國思想家評傳叢書工作會議”曾經向胡道靜約稿寫作《沈括評傳》，但直到2004年《沈括評傳》才由浙江大學的祖慧先生完成并出版。在胡道靜死后，浙江大學的楊渭生教授花費30年時間收集、校正、編輯沈括作品，并最終在2011年出版了《沈括全集》。
海外對沈括作品的研究可以追溯到1847年，當時法國學者儒蓮在《亞洲雜志》上翻譯了《夢溪筆談》有關活字印刷術的一段記述，1920年代德國和美國學者都翻譯了這一段內容，美國學者托馬斯·弗朗西斯·卡特翻譯時還特別說明“（沈括）在宋代的作者中，他是被認為最嚴謹可信者中的一位”，日本數學家三上義夫亦在同時期寫作其英文著作《中國算學之特色》，稱贊沈括為全世界數學史所罕見的人物。英國漢學家李約瑟在《中國科學技術史》中深入研究沈括的《夢溪筆談》，并作出斷言稱沈括是“中國整部科學史中最卓越的人物”，法國漢學家謝和耐也盛贊其博學多才。法國漢學家侯思孟則在1958年發表文章評價沈括及《夢溪筆談》，他認為沈括在過去的七八年間地位陡增，一躍成為“中國最偉大的科學家”，批評中國學者過分強調沈括對科學成果的先占，認為西方學者需要以更加審慎的態度評價沈括；他也批評沈括完全沒有將自己的觀察轉化為明確的理論，而這種缺陷也是早期中國科學發展的普遍性問題，古代中國人缺乏像歐洲人編纂《教會法整理匯編》那樣將零碎的知識體系化的工作。同樣認為沈括的寫作缺乏明確的組織和“理論準確性”，或言之缺乏科學理論指導。席文也評價沈括的研究充斥著禮法說教、官場見聞和短暫的好奇心，但沈括缺乏深入研究的洞察力。也有觀點認為中國人將所有學科匯合為一個總體科學，但席文認為沈括的作品并不足以體現這一特點，沈括并沒有實現甚至也沒有去追求將其所有知識匯合為一個完整的框架，唯一能夠串聯其知識的恐怕只有他的工作履歷。
旅美歷史學家左婭在《沈括的經驗主義》一書中將沈括的知識論歸結為后世西方的經驗主義，左婭并沒有將沈括的作品作為早熟到“科學文本”進行評估，而是認為沈括的作品體現了其知識論立場，沈括與王安石之間的沖突本質也是非體系知識論和體系化立場之間的沖突，沈括作為王安石提拔的變法體系參與者，試圖修補王安石變法的過失，卻被王安石視作背叛大局，最后只能退出變法，實際上也體現了沈括和王安石在知識論層面的本質區別。中國人民大學的陳昊亦評價左婭使用現代術語“經驗主義”的知識論體系考察沈括等人，相較于時代錯置的“科學家”或者“士大夫”“工匠”等身份，更具有歷史性和反思性。
沈括死后歸葬故鄉錢塘，根據明人記載埋葬在錢塘縣安溪太平山山麓。1983年余杭縣發現沈括墓，1986年沈括墓被列為縣級文物保護單位，1989年被列為杭州市文物保護單位，墓地只保留了部分宋代磚石結構以及玻璃制品和古代錢幣，杭州市政府在2001年重新修復了墓地。根據鎮江地方志記載，沈括死后只有南宋嘉泰年間知州辛棄疾重修過夢溪橋、嘉定年間知州趙善湘重修過夢溪園，此后夢溪園泯然史料，直到1985年鎮江市政府和中國科學院自然科學史研究所共同舉辦舉行紀念沈括逝世890周年大會，為此重修沈括的夢溪園，開辟了沈括紀念室，并將門前的街道改名為夢溪園巷。沈括在出任沭陽主薄時成功治理沭河，當地百姓為紀念他在今天的沭陽縣章集街道八廟街建立廟宇，今已不存。沭陽縣當地流傳“沈墊肩”傳說，還建有沈括像和沭陽夢溪植物園。根據元代陶宗儀《書史會要》記載，沈括以書法以“豪翰”聞名，胡道靜統計目前沈括墨跡流傳于世者有以下幾處：麗水南明山高陽洞、青田林冠石門洞、樂清雁蕩山靈巖龍鼻洞和山南的碧霄洞，均為摩崖石刻；沈括印鑒于書畫者雖為前人所記載，但目前公開的書畫資料中尚未發現收有沈括墨跡的卷幅；鎮江尚有夢溪題刻，據胡道靜考證為后人所作，也有學者質疑這一判斷。1962年12月1日，中華人民共和國郵電部發行《中國古代科學家（第二組）》紀念郵票，沈括作為地質學代表入列。1979年7月1日中國科學院紫金山天文臺將該臺在1964年發現的一顆小行星2027命名為沈括。2019年3月22日，中華人民共和國首艘直流組網電力推進系統的科考船沈括號正式交付使用。
毘陵武城沈氏宗譜》，該部初修沈括乃南朝沈約六世孫，編者袁慰黎亦怪相隔600多年僅傳數世因此考訂為20世
沈括家系出自吳興沈氏，是自五代外遷至錢塘縣的眾多支系之一，在北宋煊赫一時，雖然按照血緣關系可以算是中興的望族遺脈，但當時社會更多認可其為新興寒門。沈家雖然外遷，但對于吳興郡望和同宗都有認同感，沈括曾經為同宗的明州沈起書寫墓志銘，并且指出當時許多外地沈氏冒望吳興，其侄沈遘雖然沒有到過吳興（即湖州古稱）卻也稱湖州為吾州。此外雖然《宋史》將沈括列為沈遘、沈遼的從弟，但實際上沈括和沈遘兄弟系叔侄。南宋的陳振孫曾在《直齋書錄解題》糾正過當時《四朝國史》就有的這一錯誤，并稱沈遘兄弟傳世文書都稱呼沈括為“括叔”,《蘇州府志》《吳縣志》亦稱沈括及其堂兄沈扶舉為同母所生。
由于沈括聲名顯著，后世很多江南的許多沈氏家族，尤其是錢塘的沈氏，都喜歡攀附其世系，但沈括家族至沈晦已不再見諸典籍，有學者查閱上百沈氏族譜也未能發現世系正確且具有完整傳承關系的家族。在諸多錯謬中，最多的是將沈括與兩宋宰相沈義倫、沈該聯系在一起，主要流行于湖州、無錫、江陰一帶。王鐵先生曾在《中國東南的宗族和族譜》中根據王安石《太常寺分司南京沈公（沈周）墓志銘》《安樂郡君翟氏（沈扶妻）墓志銘》《內翰沈公（沈遘）墓志銘》、沈遘《伯少卿（沈振）埋銘》和佚名所作《沈睿達（沈遼）墓志銘》以及根據《宋史》正傳記確定沈括家系（下圖有節略，增加沈括母系）。民國八年（1919年）沈紹勛編纂的《錢塘沈氏家乘》雖然世系正確，但主要參考古籍，其自身世系最多只能追溯至明中期沈珍，中間存在斷代。根據《錢塘沈氏家乘》沈括雖然葬于安溪太平山，但其以上九世大多埋葬于留下法華山、桃源嶺等地，與沈括自述祖墳在西溪相吻合，沈括侄沈遘亦以西溪為號作《西溪集》。時至今日，仍有許多家族認為或者“被證明”是沈括的后人，仍有許多人自稱沈括及沈括家族后人，其家族遍布江浙及海內外各地。
由陸皓東所設計的青天白日旗
興中會，為孫中山在檀香山成立的革命團體，為中國國民黨的前身組織，
中國國民黨即以其成立日1894年11月24日為建黨日。
國立國父紀念館展示的興中會成立宣言複製件
興中會墳場大門
1894年11月24日，孫在檀香山歐胡島募款，在檀香山成立中國有史以來第一個現代革命團體興中會，在檀香山卑涉銀行（Bishop Bank）華籍經理何寬住宅裡，召集僑社人士李昌、劉祥、程蔚南、鄧蔭南、鄭金、黃亮、黃華恢、鍾木賢、許直臣、卓海、李祿、李多馬、林鑑泉、鄭照、劉壽、鍾宇（工宇）、曹采、劉卓、宋居仁、陳南、夏百子、李??、侯艾泉等24人。提出「振興中華」口號和「驅除韃虜，恢復中國，創立合眾政府」政綱。永和泰商號經理劉祥、卑涉銀行（Bank of Bishop and Co.,Ltd.）華人經理何寬為首任正副主席，黃華恢為司庫，程蔚南、許直臣為正副文案。然而不久，劉祥便退出興中會。鄧蔭南率先加入興中會，并參加了在何寬家里舉行的興中會成立會議；會上，鄧蔭南當選為興中會副主席。
據〈興中會會員及收入會銀時日與進支數簿〉，從1894年11月24日至1895年9月2日，先後共有112人加入興中會。1894年冬，派人到茄荷蕾、百衣等地，發展會員，建立興中會分會。
1895年2月21日，孫在英屬香港集合陳少白、楊鶴齡、尢列、陸皓東、鄭士良、程奎光等舊友，並與楊衢雲的香港輔仁文社合併成立興中會總會，檀香山會為支會。黃詠商獲選為臨時主席。誓詞改為「驅逐韃虜，恢復中華，創立合眾政府」。
興中會總會的辦事處，以經營貿易的商號“乾亨行”為名，設在香港中環士丹頓街13號。總會機構與檀香山支會大同小異，設總辦、協辦、管庫、華文文案、洋文文案各一人，設董事十人。“會底銀”仍為每人五銀元，“銀會”的股票仍為每股十銀元，於開國之日按股發還本利共一百銀元。
1898年興中會會長楊衢雲等人於日本的合照。前排左起︰安永東之助、楊衢雲、平山周、末永節、內田良平；後排左起︰可兒長一、小山雄太郎、宮崎寅藏、孫中山（秘書）、清藤幸七郎、大原義剛。
1895年10月10日（農曆八月廿二日）總會決定1895年10月26日（農曆九月初九）在廣州舉行起義（第一次乙未廣州之役），同時選舉楊衢雲為會長及合眾政府大總統（當時亦稱總辦或伯理璽天德，即President），孫中山為秘書。乙未廣州之役失敗後，陸皓東被清廷捕害殉道。楊衢雲、孫中山被迫逃離香港。
11月上旬，陳少白在當時已由日本統治之臺灣臺北創立興中會臺灣分會，會員有楊心如、吳文秀、趙滿期、容祺年、莊某等五、六人，並逐漸打開局面。
臺灣總督兒玉源太郎並曾應允支援興中會發動1900年的惠州革命，孫中山坐鎮臺北，後因日本內閣改組，政策轉變，新內閣不願意援助中國革命，惠州革命遂告失敗。
1900年1月24日，楊衢雲辭去興中會會長職務，讓位給孫中山，之後，興中會多次發動起義，均以失敗告終。
1905年7月30日，興中會與華興會、光復會和其他各會合併為同盟會，孫中山成為同盟會總理。孫中山從此掌控同盟會的最高權力。
名稱(地點)
檀香山興中會
1894年11月
主席：劉祥，副主席：何寬
有多人參加乙未廣州之役（第一次廣州起義），孫中山離開後則無活動，於1903年重組，並在希洛設立分會。
1895年2月
姓名可查者約五十幾人
策劃廣州革命，設立農學會
學者章開沅認為，興中會會員絕大部分屬于廣東省籍，其中香山縣人又占一半以上，立會以來的數次起義，皆在華南沿海地區，表現出很強的地域性。但是，這種不足與其說是孫中山的策略失誤，不如說是當時環境的客觀條件使然。實際上，孫中山的理念面向全國，會旨提出“振興中華”。
* 革命黨、中國同盟會、國民黨 (1912–1913)、中華革命黨、五四運動、中國國民黨
* 吳倫霓霞：〈 興中會前期(1894-1900)孫中山革命運動與香港的關係 〉。
*李金強：〈 香港興中會總會的成立及其重要性 〉。
* 黎東方：《細說民國創立》 上海人民出版社
中國共產黨和中華人民共和國中央軍事委員會，通稱中央軍事委員會，簡稱中央軍委、軍委，是中國共產黨和中華人民共和國武裝力量最高軍事領導機構的總稱，包括以下兩個機構：
* 中華人民共和國中央軍事委員會
1983年，中華人民共和國中央軍事委員會成立后，中共中央軍事委員會和國家中央軍事委員會的組成人員基本相同，實際上是“一個機構兩塊牌子”。中共中央軍事委員會由中國共產黨中央委員會產生或罷免。國家中央軍事委員會由全國人民代表大會產生或罷免，對全國人大及其常務委員會負責。對國家武裝力量發布命令時一般以“中華人民共和國中央軍事委員會”名義發布。
1925年9月，鑒于中共從事軍隊工作的黨員日趨增多，莫斯科東方大學歸國學生王一飛向中共中央總書記陳獨秀建議成立中央軍事委員會，得到采納。1925年9月28日至10月2日在北京召開的中共第四屆中央執行委員會第二次擴大會議決定，成立中央軍事部門即軍事運動委員會。1925年12月，中共中央在上海召開了著重研究軍事工作的十二月會議，會議修改后的《軍事工作決議》（草案）第五條指出，“黨中央下設軍事部，軍事部下設特派員，軍事部內設組織和情報兩個部門”。1925年12月12日中共中央發布通告，將軍事運動委員會改為中央軍事部，主要從事軍事組織聯絡和情報工作。軍事部由張國燾、王一飛和任弼時三位中央委員組成，張國燾兼任主任，任弼時長期主持團中央工作，王一飛成為實際負責人；顏昌頤、奚佐堯先后任技術書記。1926年11月上旬為準備上海工人武裝起義，中共中央決定將中央軍事部改為中央軍事委員會兼上海區軍事委員會，周恩來任書記。1926年11月16日上海區委單獨成立軍事委員會，中央軍委仍然存在。四一二事件后，中央軍委隨中央機關于1927年5月下旬從上海遷到武漢，5月25日召開的中共中央政治局常委會將中央軍事委員會改稱中央軍人部（仍習慣性稱中央軍事部），決定由周恩來任中央軍事部部長，并主持成立特務工作處，其中情報股負責人為董醒吾（國民政府武漢偵緝大隊隊長）。7月下旬部長周恩來前往南昌領導武裝起義，軍事部由王一飛負責。
1927年9月底10月初，中央機關從武漢遷回上海后，軍委人員也陸續到達上海。11月14日，在上海召開的中共臨時中央政治局常委會議決定調整中央組織機構，不設部，而在中央臨時政治局常委下設立組織局，由羅亦農、周恩來、李維漢三人組成，領導文書、交通、會計、組織、宣傳、調查出版、分配、軍事、特務等科和婦女運動委員會。周恩來分管軍事和特務工作，其中軍事科科長是李鳴珂，實際由周恩來負責。1928年6月中共六大會議上的《軍事工作決議案（草案）》規定：“中國共產黨的一切軍事工作都應集中于中國共產黨中央軍事部。各地應設立軍事委員會，受地方黨部之一般指導而工作，但于軍事技術方面，則受中央軍事部之指揮。”1928年7月恢復“中央軍事部”，楊殷（1928年7月20日至1929年8月24日）、周恩來先后任部長。1928年10月25日，中共中央頒布的《各級黨部軍事機關之組織大綱》，重申中央軍事部設立軍事委員會，作為就軍事問題進行討論和建議的機關。1930年2月中共中央政治局會議決定將中央軍事部與軍委合二為一，直屬中央政治局，中央軍委委員 9人，周恩來、關向應、曾中生為常委。1931年1月15日，蘇區中央局成立，同時成立（蘇區）中央革命軍事委員會，1931年6月改稱中華蘇維埃共和國中央革命軍事委員會（簡稱“蘇區中革軍委”），負責指揮紅軍作戰，朱德任主席。。在上海的中央軍事委員會不再直接指揮紅軍作戰，而“主要負責國民黨統治區的兵運、情報等軍事工作及對蘇區中革軍委、各主力紅軍重大決策的指導”。1931年1月30日，中共中央政治局臨時會議決定，中央軍委委員為：周恩來、陳郁、溫裕成、王云程、艾逸之、聶榮臻、陳賡；陳賡兼任諜報科科長，曾希圣、劉仲華等為主要工作人員。1931年9月22日，中共臨時中央政治局（簡稱臨時中央）成立，博古負總責，臨時中央領導下的中央軍事委員會“主要負責指導白區軍事斗爭，開展情報、聯絡工作，進行對國民黨軍的兵運工作，向蘇區派遣干部和提供藥品、器材等”。原中央軍委書記周恩來、代理書記李富春以及軍委參謀長聶榮臻相繼于1931年12月從上海去中央蘇區，陳賡赴鄂豫皖蘇區。上海的中央軍事委員會增補李超時、武胡景、洪易、柯慶施為委員，武胡景成為軍委負責人，主要助手為柯慶施，情報工作負責人是劉仲華后為王世英。1933年1月，中共臨時中央政治局撤離上海，遷往中央蘇區，同時在上海成立中共上海中央局，繼續領導國民黨統治區的工作。上海的中共中央軍委改為上海中央局軍委，負責兵運和情報工作。
1936年12月，工農紅軍第一、第二、第四方面軍會師后，毛澤東任主席。
1945年中共七大以后，于8月成立了新的“中共中央軍事委員會”，毛澤東任主席。1949年初，中共中央軍事委員會改稱“中國人民革命軍事委員會”。
1949年10月，中華人民共和國成立，根據《中華人民共和國中央人民政府組織法》的規定，成立中央人民政府人民革命軍事委員會，實行集體領導體制，統一管轄和指揮中國人民解放軍及其他武裝力量。
1954年9月15日至28日，第一屆全國人民代表大會通過了中華人民共和國第一部《》，規定中華人民共和國主席統率全國武裝力量、擔任國防委員會主席，設立中華人民共和國國防委員會作為軍事參議機關。1954年9月28日，中共中央政治局決定在中央政治局和中央書記處之下成立中共中央軍事委員會，領導中國人民解放軍和其他武裝力量。在實踐中，中共中央軍委擁有了憲法賦予國家主席及國務院的對武裝力量的領導權，國家主席領導的國防委員會也被架空。1975年1月17日第四屆全國人民代表大會第一次會議通過《中華人民共和國憲法》，缺位多年的國家主席職務與其領導的國防委員會被撤消，其中第十五條規定：“中國人民解放軍和民兵是中國共產黨領導的工農子弟兵，是各族人民的武裝力量。”“中國共產黨中央委員會主席統率全國武裝力量。”1978年3月5日中華人民共和國第五屆全國人民代表大會第一次會議通過《中華人民共和國憲法》，其中第十九條規定：“中華人民共和國武裝力量由中國共產黨中央委員會主席統率。”
中共十一屆三中全會以后，隨著“發展社會主義民主，健全社會主義法制，改革和完善黨和國家領導制度”的要求，憲法面臨重大修改。自從1980年9月中共中央向第五屆全國人民代表大會第三次會議提出修改憲法和成立憲法修改委員會的建議后，直至1981年底，憲法修改委員會秘書處為了起草憲法草案初稿及討論稿，曾多次召開座談會，并向各地廣泛征求對修改1978年憲法中“國家機構”部分的意見。當時較為一致的意見是，應由中華人民共和國主席統率武裝力量。憲法修改委員會秘書處根據普遍要求，曾經在憲法修改草案討論稿中規定：“中華人民共和國主席統率全國武裝力量，擔任國防委員會主席；中華人民共和國主席根據全國人大及其常委會的決定，任免國防委員會副主席、委員及解放軍三總部負責人；國務院領導武裝力量的建設。”討論稿又曾規定，中華人民共和國主席“不干涉政府工作，不承擔行政責任”。但在征求意見的過程中，這些規定引發了許多不同意見。