皇祐三年（1051年）沈周去世，至和元年（1054年），沈括以父荫入仕，任海州沭阳县（今属江苏）主簿，修筑渠堰，开发农田，颇有政绩。
嘉祐六年（1061年），任安徽宁国县令，倡导并发起了修筑芜湖地区万春圩的工程，并撰写了《圩田五说》、《万春圩图记》。
嘉祐八年（1063年），三十三岁考中进士，被任命做扬州司理参军，掌管刑讼审讯。治平三年（1066年），被推荐到京师昭文馆编校书籍。在这里他开始研究天文历算。
熙宁二年（公元1069年），王安石被任命为宰相，开始进行大规模的变法运动。沈括积极参预变法运动，受到王安石的信任和器重，担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。
熙宁五年（公元1072年），兼任提举司天监，职掌观测天象，推算历书。接着，沈括又担任了史馆检讨。
熙宁六年（公元1073年）做集贤院校理。因职务上的便利条件，他有机会读到了更多的皇家藏书，充实了自己的学识。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（1075年）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。
熙宁九年（1076年）任翰林学士，权三司使。王安石变法失败，沈括因为受到牵连以及诗案败露等原因，照例出知宣州（今安徽省宣城一带）。
熙宁十年（1077年），沈括出任宣州知州（今安徽宣城）。
元丰二年（1079年），爆发乌台诗案，因政治立场不同，曾出面指责苏轼。
元丰三年（1080年），为抵御西夏，改知延州（今陕西省延安一带），兼任鄜延路经略安抚使。
元丰五年（公元1082年），升龙图阁直学士。但是不久又因为与给事中徐禧、鄜延道总管种谔、鄜延道副总管曲珍等人贪功冒进，不听随行内侍李舜举劝告，在死地筑城，酿成永乐城惨败，损失军人2万，民夫无算，高永亨、李舜举等都壮烈牺牲。此战是北宋历史上较大的惨败之一，并使得平夏城大捷以后良好的统一形势被葬送。此事沈括虽非首罪，但他毕竟负有领导责任，加之在战役中救援不力，因此被贬为均州（今湖北省均县）团练副使，随州安置，从此形同流放，政治生命宣告完结。
元祐二年(1087年)，他完成了在熙宁九年即已奉命编绘的“天下郡县图”，定名为《守令图》，被特许亲自到汴京进呈。
元祐三年，沈括移居到润州（今江苏镇江市东面），将他以前购置的园地，加以经营，名为“梦溪园”，在此隐居，八年后即宋哲宗绍圣二年（公元1095年）去世。他一生著作多达几十种，但保存的，除《梦溪笔谈》外，仅有综合性文集《长兴集》和医药著作《良方》等少数几部了。《梦溪笔谈》是中国科学史上的坐标，是沈括一生社会和科学活动的总结，内容极为丰富，包括天文、历法、数学、物理、化学、生物、地理、地质、医学、文学、史学、考古、音乐、艺术等共600余条。其中200来条属于科学技术方面，记载了他的许多发明、发现。
