沈括在總結前人經驗的同時也在進行著創新。漢朝以前稱北極星為“極星”，認為它在天空的正中位置。沈括通過多方麵考察星象和曆法，並把黃昏到拂曉時親自核檢的情況分別繪製成圖，一共繪製了200餘幅圖，由此，斷定北天極是在離極星三度多的地方，否定了前人的誤說。這在《夢溪筆談》第127條有詳細的記載。此外，沈括還如實地轉載了治平元年（1064年）鐵隕星墜地的前後情景，這為科學研究留下了寶貴的資料。在對於日蝕和月蝕的研究中，我國古代很早就做出了顯著的成果。據載，早在公元前13世紀甲骨文和公元前八九世紀的鍾鼎文中都有不少有關方麵的記載。後來，公元前104年，漢朝頒行了《太初曆》；公元237年，魏朝頒行了《景初曆》；以後又有隋朝的《皇極曆》，唐朝的《太衍曆》。通過史料記載，沈括進一步核驗出日月交蝕發生的條件及日蝕月蝕初虧和複圓的方位，他以形象直觀的比喻形式精確地指出黃白道交點每月沿黃道由東向西移動一度多。這些科學結論都達到了那個時代最高的科學水平。在地質、地理學方麵，沈括對海陸變遷、流水侵蝕、古生物化石、礦物知識和地震等都有大量具有很高科學價值的記載。如《夢溪筆談》第461條關於避風術的記載，完全可以視為當時的一種天氣預測方式，這種記載不僅實錄了當時勞動人民的實際情況和聰明智慧，也給後人留下了許多的寶貴經驗。又如第433條介紹說雁蕩諸峰是由流水侵蝕作用而成的，並以黃土高原的地形成因為例來進一步印證這一見解。
在物理學方麵，沈括的記載也是既通俗又深奧。《夢溪筆談》一書的第四四條以飛鳶為例，淺顯易懂地說明了針孔成像的道理；第330條記載了透光鏡背紋在“鑒麵隱然有跡”，這種精心的觀察給後世學者的研究以不少啟發；第322條針對古代軍營中的警戒法，總結出了“虛能納聲”的結論，這又與現代自然科學中所講的共振有相通之處；第437條記載了當時的人工磁化的方法，即以天然磁磨鋼針，並通過對磁針的四種支掛方法的實踐和分析，選定“縷懸為最善”。特別是，沈括發現了地磁偏角。地磁偏角是非常微小的，沈括對此作的記載，比哥倫布在1492年航海時的發現，早了400多年，因此，他被國內外科學史界公認為世界上最早發現地磁偏角的人。
在化學方麵，沈括的科學成果更是驚人的。其實遠在漢代，我國勞動人民就知道用石油來做燃料和照明。但直到《夢溪筆談》一書，才第一次真正地提出了“石油”的科學命名，並預言石油“此物後必大行於世”。書中的第421條真實地記錄了當時勞動人民開采石油的大體情況，以及當時用石油碳墨代替鬆煙製墨的基本情形。對於當時延州一帶人民采集利用石油的情況書中作了極其細致的考察記載。
對於我國較早的煉鋼法及工藝技術，在《夢溪筆談》一書中都有詳細的記載。漢民族早期的煉鋼法是熱鍛，而到宋朝時期，卻是冷鍛煉鋼法普及全國。因為這種冷鍛工藝具有省時、省力、省材料等諸多優點。我國的古代勞動人民在先進工藝技術這方麵的成就是舉世矚目的。製造銅鏡的技術，早在我國春秋時代就相當發達了。當時墨家著作《墨經》，就有關於凸麵鏡成像的記述了。《夢溪筆談》第455條記載的烹膽礬成銅一法，實際上是一個化學置換反應，這是我國“水法煉銅”的發展史中的一筆重要的記錄。
在生物學、醫藥學方麵，《夢溪筆談》中對於藥物及其藥理作用等方麵作了大量考察，進行了客觀地記錄，糾正了宋代以前不少的錯誤記載。如《夢溪筆談》第586條記載了中草藥的不同部位有不同療效的許多例子，從中也可見到沈括踏實審慎的研究態度。人們給予《夢溪筆談》很高的評價，明代刊刻的《夢溪筆談·跋》說：“筆談，上稽朝典，下逮方言，神怪人理，鳥獸草木、搜奇抉秘、羅列星分，核而不詭，精實而可考鏡。”又如書中第485條有關采擷草藥的方法的記錄，實際上闡明了地勢、土壤、氣溫、植物種性等各種因素對植物生長發育的重要影響，因此，這也是我國古代物候學的重要文獻，對於植物生理生態學的研究同樣具有重要意義。在工程技術方麵，沈括的記錄也成了珍貴的科技史料。今天，我們都知道中國古代的四大發明之一——活字印刷術的發明者是畢升，重要依據就是《夢溪筆談》一書第307條的記載，這幾乎成為唯一的原始資料了。另外，書中對於建築匠師喻皓、《木經》、水工高超巧合龍門的三節壓埽法的記載，都顯示出對當時勞動人民發明創造的智慧。
除此以外，沈括在文化曆史方麵的考究也是後人研究的重要參考依據。《夢溪筆談》第244條記載的寶元年間（1038—1039年）北宋將領種世衡智退黨項貴族（即西夏）侵擾的曆史事件，補充和糾正了《宋史》中有關西夏史事的疏漏和謬誤。書中對於宋代財政措施的記載也成為研究王安石變法改革時期的重要依據，並為研究宋代的經濟史提供了寶貴的史料。沈括對於自己受命出使遼的整個過程也作了詳細的記載，這是宋遼關係史上的第一手史料，其中的有關契丹境內語言文字的切韻、訓詁的研究成果，為研究少數民族史和民族關係史提供了重要的史料參照。