沈括一生为官，四处飘泊，几乎走遍了大半个中国。 峭拔险怪的名山，一碧万顷的平川，烟波浩渺的湖泊，飞湍急流的江河，到处留下他的足迹。 他深邃的目光，透过青山秀水，看到了它们的沉浮变迁。 比如在雁荡山，沈括发现了一个奇怪的现象：他曾游览过不少名山，都是从岭外便能望得见峰顶，而雁荡山却不然，只有置身山谷，才能看到高耸入云的诸峰。 经过再三琢磨，沈括得出了结论：是山谷中的大水，将泥沙冲尽之后，这些巨石才高峻耸立，拔地而起的。 而且，雁荡山的好多独特景观，如大小龙湫、初月谷等，也都是大水长年累月冲凿的结果。 由此，他联想到西北那土墩高耸的黄土区，和雁荡山的成因相同，也是大自然的杰作，只不过一个是石质、一个是土质而已。 他正确论述了华北平原的形成原因：根据河北太行山山崖间有螺蚌壳和卵形砾石的带状分布，推断出这一带是远古时代的海滨，而华北平原是由黄河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所携带的泥沙沉积而形成的。 通过观察雁荡山诸峰的地貌特点，分析了它们的成因，沈括明确地指出这是由于水流侵蚀作用的结果。 他还联系西北黄土地区的地貌特点，做了类似的解释。

神宗时，沈括担任经略使。 有一年在延州，黄河大堤崩了，并出现裂痕，中间出现竹笋林。 这太奇怪了，沈括进行了仔细地考察。 他看到一大片根干相连，都化为石的竹笋，真是罕见，根本无法知道这是什么年代的东西。 沈括就想：这儿的环境不适合竹子生长，可是却怎么会有竹笋的化石？想了好久，他得出结论：“是不是从前这里气候温暖潮湿，适合竹子生长呢？”沈括觉得他这个结论还是很科学的。 在此基础上，他还观察研究了从地下发掘出来的桃核、芦根、松树、鱼蟹等各种各样化石，明确指出它们是古代动物和植物的遗迹，并且根据化石推论了古代的自然环境，以及古环境变迁、植物地理分布的制约因素等。 同时，他还考察了黄河三角洲并提出三角洲是黄河泥沙堆积而成的，这些见解用今天的眼光来检验也是正确的。 他提出广种树木、保护树木以涵养水份的观点，也完全符合当代的保护环境的理念。 这些都表现了沈括可贵的唯物主义思想。

沈括关于因水侵蚀而构造地形的观点，在当时只有阿拉伯的一位科学家“英雄所见略同”，直到七百年之后，英国科学家赫登才完整地运用了这一原理论述地貌变化。 另外，在冲积平原成因的解析方面，在“化石”的命名以及地形测量和地图绘制等方面，沈括的贡献也极有价值。

宋仁宗时，有一天，一位大臣捧着一颗龙蛋来见仁宗，大臣振振有词地说是从黄河中漂来的。 漂来龙蛋，岂不象征着大宋上承天运吗？这可是祥瑞，仁宗大喜，并重赏了那位大臣，并派人把龙蛋送到金山寺里供奉了起来。 这个龙蛋送到寺里不久，寺里发水了，冲了寺。 大臣们嘀咕，这龙蛋是灾星，带来了灾难，当然他们不敢跟皇上说。 仁宗也嘀咕，但是要推翻自己的说法，又实在不妥。 于是再也不提这件事情了，龙蛋也就再无人过问了。 这龙蛋到底是什么样的呢？沈括就想去看个究竟。 原来这龙蛋跟鸡蛋差不多，只是特别大而已。 但当时沈括也只能是看看，不敢深入研究，因为这涉及到皇帝的体面。 到了英宗时，泽州一户人家挖井时挖到龙蛇一样的东西，不敢动，放了好久，还是那样。 胆大的摸了一下，原来是石头。 后来打碎了，众人给分了。 沈括后来见到一块，看到有棱有角，像蛇身上一样，不过特别大，沈括研究了许久，得出结论：这是一块蛇化石。

沈括在地学方面的卓越的论断，反映了我国当时地学已经达到了先进水平。 在欧洲，直到文艺复兴时期，意大利人达·芬奇对化石的性质开始有所论述，却仍比沈括晚了四百多年。 沈括视察河北边防的时候，曾经把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立体地理模型。 这个做法很快便被推广到边疆各州。

熙宁九年（1076年），沈括奉旨编绘《天下州县图》。 他查阅了大量档案文件和图书，经过近二十年的坚持不懈的努力，终于完成了我国制图史上的一部巨作——《守令图》。 这是一套大型地图集，共计二十幅，其中有大图一幅，高一丈二尺，宽一丈；小图一幅；各路图十八幅（按当时行政区划，全国分做十八路）。 图幅之大，内容之详，都是以前少见的。 在制图方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九法，这和西晋裴秀著名的制图六体是大体一致的。 他还把四面八方细分成二十四个方位，使图的精度有了进一步提高，为我国古代地图学做出了重要贡献。

沈括为了维护宋朝边境的安全，十分重视地形勘察。 有一次，宋神宗派他到定州（今河北定县）去巡视。 他假装在那里打猎，花了二十多天时间，详细考察了定州边境的地形，还用木屑和融化的蜡捏制成一个立体模型。 回到定州后，沈括要木工用木板根据他的模型，雕刻出木制的模型，献给宋神宗。 这种立体地图模型当然比绘制在纸上的地图更清楚了。 宋神宗对沈括画的地图和制作的地图模型很感兴趣。 第二年，就叫沈括编制一份全国地图。 但是不久，沈括受人诬告，被朝廷贬谪到随州（今湖北随县）去。 在那里，环境虽然很困难，但是他坚持绘制没有画完的地图；后来，他换了几个地方的官职，也是一面考察地理，一面修订地图，坚持了十二年，终于完成了当时最准确的一本全国地图——《大宋天下郡守图》。

《大宋天下郡守图》是他用“飞鸟图”创造并绘制出来的，这使得北宋的地图越来越精确。 在宋代，由于测绘技术的局限，绘制地图用的是“循路步之”法，也就是沿路步行丈量，用步行得出的数据绘制地图，由于道路弯弯曲曲，山川高低错落，用“循路步之”法绘制的地图与实况有很大的误差，图上差之一厘，实地就差之千米。 他采用“飞鸟图”也就是“取鸟飞之数”，用的是飞鸟直达的距离，有点像现在的航空拍摄，使得地图的精确度大为提高。 令人没想到的是，他的地理学说与《大宋天下郡守地图》在与辽国的边界谈判中发挥了重要作用，起到了十万士兵都难以达到的威力。

北宋与辽国之间战争不断，签订《澶渊之盟》后双方罢兵休战。 辽国垂涎中原地区的繁华，仗着骁勇的骑兵，不断提出领土要求。 自从宋真宗以后，宋朝一直依靠每年送大量银绢，维持了几十年跟辽国暂时妥协的局面，但是辽国欺宋朝软弱，想进一步侵占宋朝土地。 宋熙宁八年（1075年），辽国派大臣萧禧来到东京，要求重新划定边界，他提出的边界是山西北部的黄嵬山（在今山西原平西南），黄嵬山以北为辽国所有，以南为宋朝所有，宋朝如同意他的要求，等于将辽国的领土向南推进了三十多里。

黄嵬山是一座默默无闻、名不见经传的山脉，北宋大臣对此山几乎是一无所知，朝廷上下顿时乱作一团。 宋神宗派大臣跟萧禧谈判，双方争论了几天，都没争论出个结果。 萧禧坚持说黄嵬山一带三十里地方应该属于辽国，宋神宗派去谈判的大臣由于不了解那里的地形，明知萧禧提出的是无理要求，可就是想不出办法反驳他。 就在这危急关头，宋神宗猛然想起了熟识地理的沈括，于是赶紧命他出任谈判特使，指示他既不能随意向辽国挑衅，但也不能向敌示弱而接受无理要求。

沈括精通地理，而且办事认真细致。 他首先到枢密院，从档案资料中把过去议定边界的文件都查清楚了，证明那块土地应该是属于宋朝的，而他所凭借的依据就是《天下郡国图》。 他把自己在《天下郡国图》中所查找到的资料向宋神宗汇报了一番，宋神宗听后，非常高兴，马上就命沈括画成地图。 地图画成之后，宋神宗就送给萧禧看，并向萧禧说明地图中的边界：两国曾按《澶渊之盟》划分边界，边界是白沟河，白沟河以北为辽国领土，以南为大宋领土，而黄嵬山在白沟河以南，是大宋的领土，而不是辽国的领土。 萧禧没有一张自己的地图，更不知道黄嵬山的准确方位，在地图面前，他顿时感到理亏三分，气焰不知不觉地矮了一截，争论了几天后，双方都无功而返，但也没有将争论推向极端。 此时的萧禧也不像先前那样振振有词了。

不久，宋神宗派沈括出使上京（辽朝的京城，在今内蒙古自治区巴林左旗南）。 沈括在出发之前做了大量的准备工作，他首先收集了许多地理资料，然后叫随从的官员把这些资料都背熟。 来到上京后，辽朝派宰相杨益戒跟沈括谈判边界，辽方提出的问题，沈括和官员们对答如流，有凭有据。 沈括又再次提出以《澶渊之盟》为基础，以《天下郡守图》为依据，有理有节，寸步不让，而辽国宰相却找不到重划边界的理由。 杨益戒一看没有空子好钻，就板起脸来蛮横地说：“你们连这点土地都斤斤计较，难道想跟我们断绝友好关系吗？”这时，只见沈括理直气壮地说：“你们背弃过去的盟约，想用武力来胁迫我们。 真要闹翻了，我看你们也得不到便宜。 ”随后，沈括又出示了宋朝的木制地形模型，这使得辽国宰相大为惊奇，深感宋朝有奇才能人。 在充分的证据面前，辽国宰相无话可说，只好放弃了他们的无理要求，沈括运用智慧捍卫了宋朝的尊严，他不愧是一位出色的外交家与地图学家。

沈括带着随从的官员从辽朝回来，一路上，每经过一个地方，他便把那里的大山河流，险要关口，画成地图，还把当地的风俗人情，调查得清清楚楚。 回到东京以后，他把这些资料整理起来，献给宋神宗。 宋神宗龙颜大悦，直夸奖沈括立了大功，为犒赏他，加封他为翰林学士。