在天文学方面，在司天监期间，沈括为提高仪器的精度进行了大量工作，曾改制浑仪、浮漏和景表等天文仪器，撰《浑仪议》、《浮漏议》和《景表议》；亲自观测天象，绘制测定北极星位置的图二百多张；并曾在几年内坚持观测表影和漏壶的运行，由此提出了因太阳运动不均匀而引起的时差现象；在晚年，他提出一种全新的纯阴历《十二气历》，这种历法简单明了，便于指导农事。
晚年，沈括定居润州（今江苏镇江）梦溪园潜心写作，将平生见闻和科学研究记载于《梦溪笔谈》之中。书中涉及科学条目二百多条，内容包括数学、天文、气象、地质、地理、地图、物理、化学、冶金、水利、建筑、生物、农学和医药等许多领域，是世界科技史中的一份宝贵的遗产。
为了纪念沈括的功绩，人们将小行星2027命名为"沈括小行星"。