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在天文学成就上，沈括非常重视观测手段的改进，熙宁七年（1074年）七月“沈括上浑仪、浮漏、景表三仪”，这三种天文仪器主要是测量天体位置、时间和日影长短，但经过他的改进，观测精度大大提高。对于历法的改进，沈括颇有功绩，他主张使用十二气历，即“十二气为一年”。立春为一年的开始，“大尽三十一日”，“小尽三十日”；“一大一小相间，纵有两小相并，一岁不过一次”，这样就可做到“岁岁齐尽，永无闰余”，这就把传统的月相变化的内容注入到历法里。可惜此法未被采纳，反而招致一些人的围攻。
在数学方面，沈括的成就在于推导出了“隙积术”和“会圆术”。隙积术是求解垛积的问题，属于高阶等差级数求和问题，并提出了一个正确的求解公式，开辟了数学研究的新领域。这一成果被南宋数学家杨辉、朱世杰等人所继承并进一步加以发挥。会圆术是一个已知弓形的圆径和矢高求弧长的问题，沈氏推演出了求弓形弧长的近似公式。