沈括對北部邊防非常重視實地調查，言必有據，向朝廷提出防禦策略。
這期間，他最大的科學貢獻就是發明了立體地圖。一次，他到邊境勘察地形，詳細描繪了地形地物，但是，軍官將帥看不懂地形高低。萬一有戰事，這地圖發揮不了作用。
於是他萌生了把地形地貌立體地反映出來的想法，以便朝廷正確認識邊境地理情況，構築防禦體係，而且讓士兵們都能看懂。
那麼，如何創造這種立體地圖呢？
沈括開始了他的探索。首先他用木板做成帶有比例尺的平麵，再到實地勘察，用麵糊和上鋸末，在木板上塑造逼真的地形地物。立體地圖就製成了，類似我們現在沙盤的製作工藝。
但當時正值冬季，用麵糊木屑製作的立體地圖，都被凍裂了，無法呈送皇上。於是，沈括又探索使用其他的材料和工藝。
一天夜裏，他的蠟燭歪了，留下來的蠟油堆在一邊。沈括就趁熱把他們堆起來，他興奮不已，立刻叫來隨從，連夜實驗，很快成功。於是便有了用蠟製作立體地圖。但用蠟製作的立體地圖，到了盛夏會不會變形？
送到宮裏，如何能長期保持原形呢？這促進沈括繼續思考。
回到官署，沈括用很輕的軟木照蠟形刻出來，再撒上染顏色的鋸末，很棒的立體地圖就出來了。第二年二月，他把立體地圖送給宋神宗，皇上大開眼界，不僅召朝中重臣反複觀覽，還詔“邊州皆為木圖，藏於內府”。
缺乏天險，邊防水長城能否遏製遼兵南侵？
拓展水域，白洋澱如何在北宋就已具雛形？
滄海桑田，鹿泉黃岩村是否曾為遠古海濱？
沈括駐真定時，深入各府州縣寨，勘察地形，興修水利，主持施工。他親自主持拓展定州的海子直抵西城中山王塚，開辟為稻田，清波彌漫，宛如江南。
宋遼時期，河北邊境在古恒山和白溝一線，也就在阜平縣大茂山到白溝一帶。尤其是東部，都是大平原，沒有天險可守。遼國騎兵如果南下，可以一馬平川地進軍定州、真定。
因此，沈括利用河湖、沼澤、水田加上茂密的桑樹、棗樹林子，讓遼國騎兵無法快速奔襲。所以，沈括開掘河渠，興修稻田，發展桑棗樹林，形成一道抵禦遼兵的水長城。經過他的努力，北宋前期創立的河北北部防線進一步向南擴展。
他上奏指出，可利用這些水澤為陣，與西麵的塘泊水田形成掎角之勢，遏製遼國騎兵。保定以西到九頃塘這個地方，保州東陽村堤以東三十裏，歐陽修當年修築的塘泊遺跡尚存。
沈括從官府出資，把百姓的一些民田用官田置換，引種水稻，種植桑棗，構築水利防禦體係，加強邊防。沈括還利用徐水、沙河、唐河和定州一帶泉水為源，引水彙入滹沱、漳、白溝等水域。從保州到滄州八百裏，建成為一片水澤，寬處達六十裏，成為抗遼的一道水澤藩籬。河北省著名的白洋澱在北宋時期也形成了雛形，正是得益於沈括。
在對遼作戰方麵，沈括認為：契丹將士善騎戰，而中原人善用強弩。我們必須大力推廣弓弩戰術。他親自製作堅厚的甲胄靶子，總結了任雄州安撫副使的他大哥沈披造弓的絕技，訓練將士們拉弓射箭的技能，要求能射中遠方飛馳的遼兵並能射透其甲胄。這種在和平時期強兵固邊的戰術，後來他寫入《夢溪筆談》。
沈括十分重視科技資料的積累。他踏遍了河北山山水水，在《夢溪筆談》中與河北相關的二十餘條科學記載，凝聚了他的心血和智慧。有一次，他遵太行而北，發現“山崖之間往往銜螺蚌殼及石子如鳥卵者，橫亙石壁如帶”。他就琢磨：這裏東距大海近千裏，這些貝殼卵石怎麼形成的呢？這應該是海邊才有的啊？