當時，北宋朝廷的財政被官僚家門壟斷，雖然社會繁榮，但是國家的財政出現短缺貧苦的現象，於是，這時候就有人提出變法的要求。有變法，那麼就會有人支持有人反對，當時，範仲淹、王安石等主張實行新法，而以司馬光為首的保守派堅決反對實行新政。兩派之間激烈對抗，一直持續到北宋末年。
宋徽宗被金人擄去之前，他也支持王安石的變法，蔡京等奸臣知道宋徽宗的心思後，便大力稱讚新法的好處，以迎和宋徽宗，蔡京等奸臣竟因此而官運亨通。宋徽宗被擄走後，宋神宗繼位，他聽取了王安石的意見後，也決定實行新政。
熙寧二年，王安石調任北宋參知政事，在宋神宗的支持下，開始積極的準備實施新政。沈括也是王安石變法的支持者、參與者。元豐年間，蘇軾的“烏台詩案”，因為懷疑蘇軾的詞句中有攻擊新政的說法，蘇軾被捕入獄。因為政見不同，沈括也曾當麵斥責蘇軾。
沈括的才華和知識深受王安石的賞識和器重，在王安石的提拔下，沈括擔任了宋朝掌管全國財政的最高官員——三司使。熙寧五年，沈括又被提拔擔任提舉司天監，主要職務是觀測天象，編纂曆書。次年，沈括升為集賢院校理，他利用職務，閱讀了到了皇家豐富的藏書，進一步充實、開闊了自己的學識與眼界。在此期間，沈括先後完成了《景表議》、《修城法式條約》、《營陣法》等著作。
熙寧九年，沈括升任翰林學士，權三司使。同年，王安石在經過一係列的準備後，開始了政治改革運動。新政的改革措施是好的，但在實行過程中出現了很多失誤。加上新政的實施觸犯了很多保守派人物的利益，他們聯合起來抵製王安石變法，特別是宋神宗的母親，她也堅決地反對新法，這讓本就決心不太堅定的神宗有所動搖。當時，中原諸多地區天災連連，一些舊權貴便將天災歸責於王安石的新政措施上，聲稱是王安石的變法讓上天很不高興，才會出現這些天災。最終，王安石變法沒有實施成功，在曆史上曇花一現。
變法失敗後，王安石本人被宋庭貶官罷職，沈括也受到牽連，一同被貶出京。沈括任宣州（今安徽省宣城一帶）知州。
北宋王朝這一次的政治革新運動雖然遭到失敗。但是，人們沒能想到的是，這次變法造成了北宋守舊派、維新派兩派的政治鬥爭。
出使遼國
沈括可以說是文武雙全，他不光在科學文化上大有成就，在外交、軍事上也頗有建樹。
宋朝時，少數民族矛盾頗深。自唐朝滅亡後，中原大地再一次陷入了政權割據爭霸的局麵。遼河上流的契丹，建立了強大遼朝政權，然後稱帝，之後遼國又攫取了燕雲十六州。宋朝統一中原後，曾經多次討伐遼國，卻均遭到了失敗，宋朝對遼國逐漸地由主動進攻到被動的防禦。
熙寧七年，遼國借口宋朝在山西宋遼邊境增修堡壘，破壞了宋遼邊界，要求重新劃定兩國界線。熙寧八年，遼國派大臣蕭禧來到北宋首都開封，要求宋遼以山西北部的黃嵬山為界限，以北地區歸遼國所有，以南地區歸大宋朝所有。宋王朝不敢同遼國開戰，但也不願白白的丟棄大片江山，加上不明地理，對遼國要求，宋朝官員完全的不清楚。
就在北宋朝廷亂作一團的情形下，沈括為了國家利益主動請纓，宋王朝朝廷命他以翰林院學士的身份為談判特使，令他既不能輕開戰端，也不能示弱。不能損失大宋國威接受遼國人的要求。沈括秉旨意，他先是在北宋都城開封接見了遼國使臣蕭禧，沈括據理力爭，讓蕭禧無言以對。為了進一步鞏固國家的領土，不久，沈括出使大遼，同遼國宰相楊益戒談判。