沈括具有求索精神，具备实证方法，正是这种对科学的严谨态度，使他在晚年归退后著成了传世之作——《梦溪笔谈》。
《梦溪笔谈》是一部大型的综合性的学术著作，书中以大量篇幅记述了当时的政治、军事、法律、人事以及一些传闻轶事、艺文掌故等。对赋役扰民、西北与北方军事利弊及典礼礼仪和古代音乐演进，均有翔实记载。该书对于研究北宋社会、政治、科技、经济诸方面有重要参考价值。
就性质而言，《梦溪笔谈》属于笔记类。从内容上说，它以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识，这在笔记类著述中是少见的。因为沈括本人具有很高的科学素养，他所记述的科技知识也就具有极高价值，基本上反映了北宋的科学发展水平和他自己的研究心得，因而被现代人誉为“中国科学史上的坐标”。《宋史沈括传》说：“括博学，善文，于天文、方志、律历、音乐、医药、卜算，无所不通，皆有所论著。”李约瑟说：“沈括是中国科学史中最奇特的人物。”列宁称沈括为中国十一世纪“两个伟大的人物”之一。
在《梦溪笔谈》中，沈括详细记载了劳动人民在科学技术方面的卓越贡献和他自己的研究成果，反映了我国古代特别是北宋时期自然科学达到的辉煌成就。比如在北宋元丰年间，庆州地区出现了子方虫，正要危害田野里的庄稼。忽然又有一种虫子出现了，样子像泥土中的狗蝎，它的嘴上长有钳子，成千上万，遍地都是。它们遇见子方虫，就用钳子搏击它，子方虫全都被截为成为两段。十天后，子方虫全都被消灭，农民因此而获得大丰收。这种虫子过去就有，当地人称它为“傍（旁）不肯”。
《梦溪笔谈》中还有关于北宋的建筑家喻皓的一则趣闻：朝廷要在杭州梵天寺修建一座木塔，才建了两三层，它就开始晃动。工匠师傅说：“木塔上没有铺瓦片，上面轻，所以才这样。”于是就叫人把瓦片铺排在塔上，但是木塔还像当初一样晃动。没有办法时，匠师就秘密地派他的妻子去见喻皓的妻子，拿金钗送给她，要她向喻皓打听木塔晃动的原因。喻皓笑着说：“这很容易啊，只要逐层铺好木板，用钉子钉牢，就不会晃动了。”工匠师傅遵照他的话去办，塔身就稳定了。因为钉牢了木板，上下更加紧密相束，上、下、左、右、前、后六面互相连接，就像只箱子，人踩在那楼板上，上下及四周板壁互相支撑，塔当然不会晃动。人们都佩服喻皓的高明。
《梦溪笔谈》还记录了沈括经历过的一些科学事件。一次，沈括的妻子刚推开楼上房间的门，猛听得案上的古琴发出“铮铮”的弹奏声，吓了一大跳，忙唤丈夫前来观看。沈括四下一望，见院墙外面正有一支迎亲队伍穿街而过，鼓乐声还不绝于耳。“原来如此。”沈括和妻子进入房中，命仆人取来另一架琴，又用剪刀剪了个小纸人，贴在琴弦上。然后，他走到原来的古琴旁，用手指用力拨动琴弦，结果，那贴在另一架琴上的纸人竟颤颤巍巍跳动起来，同时弦上发出“铮铮”的声响。“瞧见了吗？这就是声学上的共振现象。如果琴弦音度相同，拨动一架琴上的弦，另一架琴上相应的弦就会振动，发出声音。刚才街上娶亲的鼓乐声传来，你正开门，引起古琴的共鸣，就是这个道理。”沈括为研究琴瑟谐振现象而做的这种小实验，欧洲人直到17世纪才想到。至今，在某些国家和地区的中学物理课堂上，教师还使用这个方法给学生做关于共振现象的演示实验。
还有一次，沈括听说，慎县发生了一起殴打致死人命案。可是，知县前往验尸时，却怎么也查不出死者的伤痕。后来，听了一位老者的指教，知县命人把尸体抬到日光下，又用红伞遮住阳光，那尸体上的各处伤痕顿时就清晰地现了出来。沈括细细琢磨，反复实验，最后才明白这是滤光的作用。新的红油伞，就像是今天的滤光器，皮下瘀血的地方一般呈青紫色，白光下看不清楚，但在红光下却能清晰显现。沈括把这次“红光验尸”的奇迹记载在他的《梦溪笔谈》中，给后代法医、物理工作者以很大的启示。
《梦溪笔谈》中还记载了有关于光的直线传播，沈括在前人的基础上，有更加深刻的理解。为说明光是沿直线传播的这一性质。他在纸窗上开了一个小孔，使窗外的飞鸟和楼塔的影子成像于室内的纸屏上面进行实验。根据实验结果，他生动地指出了物、孔、像三者之间的直线关系。此外，沈括还运用光的直线传播原理形象地说明了月相的变化规律和日月蚀的成因。在《梦溪笔谈》中，沈括还对凹面镜成像、凹凸镜的放大和缩小作用作了通俗生动的论述。他对我国古代传下来的所谓“透光镜”的透光原因也作了一些科学解释，推动了后来对“透光镜”的研究。
沈括具有朴素的唯物主义思想和发展变化的观点。他认为自然界事物的变化都是有规律的，而且这些规律是客观存在的，是不以人们的意志为转移的。他还认为事物的变化规律有正常变化和异常变化，不能拘泥于固定不变的规则。唯物主义的思想倾向，使沈括十分重视劳动群众的实践经验和发明创造，他不断地从劳动人民那时汲取智慧和力量。沈括很尊重他们伟大的发明创造。在其所撰的《梦溪笔谈》卷第十八《技艺》中，就详细记载了宋代庆历年间（1041—1048年）出身“布衣”的毕升所发明的活字印刷术。
唯物主义的思想倾向，决定了沈括对于自然现象和科技成就的记述具有一定的科学性。他观察和描述事物非常细致、具体、准确，没有封建时代一般文人虚词浮夸的坏习惯。因此，通过他的记述，我们能够明确地判断他那个时期生产技术和自然科学所达到的水平。例如，沈括有关雷电、海市蜃楼、龙卷风、地震以及陨铁等自然现象的记载，非常细致贴切而生动形象，使人们仿佛亲临现场。
在《梦溪笔谈》中，如实地记录了宋英宗治平元年（1064年），常州地区发生的一次陨星坠落的真切生动的情景。
有一天，正逢太阳落山的时候，天空中发出了一声像雷鸣般的巨响，原来是一颗大星，几乎像月亮一样，在东南方出现。一会儿又一声巨响，这颗大星移到西南方去了。再一声震响后，这颗星就落在宜兴县一个姓许的人家的园子里，远近的人都看到了，火光明亮照天，许家的篱笆全被烧毁了。
这时火熄灭了，只见地面上有一个像茶杯大小的洞穴，很深。往下探看，大星就在洞穴里面，发着微弱的光。过了好久，才逐渐暗下来，但是还热得让人不能靠近。又过了很长时间，挖开那个洞穴，有三尺多深，才得到一块圆形的石头，此时还是热的呢，它大小如拳头，一头略微尖些，颜色与铁相似，重量也与铁差不多。
在沈括十八岁那年，黄河泛滥，滔滔河水冲垮了汴京东北一百多公里处的商胡大堤（今河南濮阳东北）。决口宽八百多米。汹涌的黄河水淹没大片良田，冲毁民房数万间，守卫边防用的战备粮草器材也损失了八九成。决堤的洪水如脱缰野马，掉转方向，径直向北，直逼汴京的门户北京（今河北大名），当时的形势十万火急。宋仁宗特派管理财政的高级官员三司度支副使郭申锡督办堵口。
郭申锡奉皇帝命令，丝毫不敢怠慢，星夜飞马赶赴商胡。他亲临现场，指挥一次又一次的堵口，却一直没有成功。消息报到京城，人心鼎沸。沈括也十分牵挂，一心想看个究竟。在征得父亲的同意后，沈括便直奔商胡。
原来，这八百多米的河堤决口，经过上万民工昼夜鏖战，已从决口两端筑堤，收缩成不到百米的口子。但是，黄河正值汛期，上游水势不减。决堤之水被拦截在窄小的缺口中，犹如笼中被困的雄狮，狂怒咆哮，翻波涌浪，势不可当。堵住缺口，叫做“合龙门”，是堵口成败的关键。当时合龙门用“埽”。埽的形状就像一支支硕大无比的蛋卷，每支长六十步，粗二到四步（一步合古营造尺五尺，约当今一米六），由碎石、泥土做心，卷上秫秸、树枝、苇草，最后用竹索扎紧。合龙门时，民工们用绳索将埽拽引到缺口处，沉入水中，堵住缺口。原想一次就可以堵住的，但是龙门水流湍急，埽被冲断拆散，秫秸和泥石随水流泻，一次又一次的合龙均归于失败。民工们夜以继日，精疲力竭，又累又沮丧，有一位年轻的河工名叫高超，他想出了一个新办法。他说：“埽身太长太大，不容易一下子沉到底。流水还没有堵住，绳索就被冲断了。如果把六十步长的埽分为三节，每节长二十步，彼此以缆绳相连，先下第一节，当第一节压到底后，再下第二节，然后再下第三节，龙门就不难合上了。”
高超的建议呈报到主管工程的郭申锡那里，郭申锡不以为然。他认为千百年来都用长埽堵口，一次压到底方可奏效。老规矩如此，新招又有何用。二十步长的短埽不能一下子断水，分成三节下，耗费更多，也堵不住决口。于是，革新方案就被搁置一旁，合龙一误再误，无法成功。朝廷得知后，责怪郭申锡无能，将他降职，调离堵口的指挥岗位。
当时镇守大名府的魏国公贾昌朝是个有心人。堵口不成功，大名府将遭水淹，危在旦夕。合龙的事像块大石头时刻压在他心上。他一天几次往黄河决口处巡视。在工地，他和沈括相遇。贾昌朝见高超言之有理，而墨守陈规的郭申锡却拒不采纳，只得暗地里命军士们在下游打捞被急流冲下来的长埽，回收许多秸秆、竹索。这时正是郭申锡被撤职之际，无人指挥，贾昌朝赶紧请高超发号施令，调动民工制做短埽，分节下水，终于巧合龙门，堵住了黄河大堤的决口。
沈括记载下河工高超巧合龙门这件事，使这位普通民工的创造发明才得以传颂至今。从此，抗洪堵口都采用高超的三节下埽法。
《梦溪笔谈》以提供丰富的学科内容并具有很高的学术价值著称于世，被誉为中国古代百科全书式的优秀著作。《梦溪笔谈》的巨大成功，为沈括赢得了无比的荣誉，他不仅是一位地理学家、物理学家、数学家、化学家、医学家、天文学家，水利专家、兵器专家、军事家等百科全书式的科学家，更是一位横跨自然科学与人文科学两大学科领域的“稀世通才”。