早年經曆
宋仁宗天聖九年（1031年），沈括出生於浙江錢塘（今杭州市）沈氏家族，祖父沈曾慶曾任大理寺丞，父親沈周、伯父沈同均為進士。沈括自幼勤奮好學，十四歲就讀完了家裏的藏書，並隨父親宦遊州縣，到過泉州、潤州、簡州和汴京等地，接觸社會，增長見識，表現出對大自然的強烈興趣和敏銳觀察力。
沈括自幼體弱，加上讀書十分用功，經常需要服食中藥調理。錢塘沈氏在醫藥學頗有建樹，有家傳藥學書籍《博濟方》，受家庭影響，沈括也從搜集醫方開始鑽研醫學。
皇祐二年（1050年），沈周知明州（寧波），沈括借居蘇州母舅家，從舅舅許洞的著作與藏書中得益甚多，開始對軍事產生強烈的興趣。
步入仕途
皇祐三年（1051年），父親沈周去世；至和元年（1054年），沈括以父蔭入仕，任海州沭陽縣主簿，遂治理沭水，開發農田，頗有政績。工程結束後，沈括辭去職務，來到哥哥沈披在任的寧國縣，準備科舉考試。嘉祐六年（1061年），沈披主持蕪湖萬春圩工程，沈括有治水經驗，遂獻計獻策並作了詳細記錄。
嘉祐八年（1063年），沈括進士及第，因排名在前六名之外，按製守選。次年，沈括守選期滿，授揚州司理參軍，負責一州刑獄。
治平二年（1065年），經淮南路轉運使張蒭推薦，沈括被調入京師，編校昭文館書籍，參與詳訂渾天儀，並在閑暇研究天文曆法之學。熙寧元年（1068年），沈括升任館閣校勘，有機會接觸皇家藏書，進一步充實自己的學識。八月，母親病逝，沈括辭官護送靈柩回錢塘。
參與變法
熙寧四年（1071年），沈括守喪期滿，進京述職，得到神宗和王安石的器重，被任為檢正中書刑房公事。
熙寧五年（1072年），沈括奉命主持汴河疏浚工程，七月，加官史館檢討。按照慣例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏員常借此修建園林、謀取私利。沈括便考察南郊大禮的曆史沿革，撰成《南郊式》 ，被任命掌管郊祀事務。沈括按照新禮儀辦事，所省費用數以萬計，神宗十分滿意。
八月，淮南饑荒，沈括受命巡察，發放常平倉錢糧，疏通河渠，修治荒田，取得明顯成效，升任集賢校理，巡察兩浙農田水利。兩浙水利工程規模浩大，沈括建議出錢雇用饑民興建水利，得到神宗的讚同。九月，沈括升任太子中允、提舉司天監。當時的日官都是些庸碌之人，對天文幾乎全然不知。沈括遂改革機構，改進儀器，召請衛樸修造新曆法，並向全國征集觀測天象的書籍。
十一月，朝廷登記民間車輛，市易司打算填封私井以阻止四川私販井鹽，民議紛紛。沈括進言：民間都是太平車，不利於機動作戰；小鹽井很多，填封私井勢必要加強警戒，得不償失。神宗讚同，次日詔停此二事，擢升沈括為知製誥、兼管通進、銀台司。
熙寧七年（1074年）八月，沈括調任河北西路察訪使，提舉河北西路義勇、保甲公事。河北西路地處北疆，沈括上任後，將工作重點放在改革軍政和鞏固國防上。次年二月返京後，沈括上疏，提出三十一條整改意見，多數都被神宗肯定與采納。九月，沈括兼任判軍器監，負責兵器的鑄造與儲備。沈括對弓有很深的研究，提出“弓有六善”的觀點，並建議大批製造“神臂弓”。到次年五月，軍器監上報朝廷時，兵器產量提高了十幾倍。
熙寧八年（1075年）二月，沈括奉命修訂“九軍戰法”，分九軍為九營，各自為陣，背背相承，麵麵相向，靈活多變，名之為“邊州陣法”。九月，編撰城壘、軍營等建築的營造法式。
出使遼國
熙寧八年（1075年）三月，宋遼邊界衝突，遼要求以黃嵬山為分界線，宋廷不同意。遼使蕭禧到汴京，指責宋廷談判不誠，拖而不決，留在館舍不肯離去。沈括就到樞密院查閱以前的檔案文件，發現宋遼過去商定的協議是以古長城為界，而黃嵬山在古長城以南，相距有三十裏之遙，遂上表呈報朝廷。神宗賞賜沈括白金一千兩，讓他以回謝使的身份出使遼國。
四月中旬，沈括從汴京出發時，預先找出相關書信檔案數十件，讓幕僚和吏員背熟。契丹宰相楊益戒每有問題提出，沈括就讓手下吏員列舉檔案條文作答。談判先後進行六次，楊益戒無言可對，就威脅說，以數裏之地、絕兩國之好，不利於和平。沈括以國之道義、民之根本為理由，申明寸土不讓。在沈括一行力爭下，遼廷最終有所退讓，緊張的宋遼關係得以暫時緩解。
七月，沈括起程回國，據沿途地理形勢、風俗民情畫撰為《使契丹圖抄》，獻給朝廷。因出使有功，沈括被提拔為淮南、兩浙災傷州軍體量安撫使；十月，權發遣三司使。次年十月，拜為翰林學士、權三司使。
彈劾被貶
熙寧九年（1076年）十月，王安石罷相，吳充繼任同中書門下平章事。沈括到丞相府匯報政務，吳充問及免役法，沈括建議減免窮人的役錢，吳充讚同並上疏匯報給神宗。十一月，沈括再次上書要求減免下戶役錢，並建議朝廷將舊有的差役法和現行的免役法有機結合起來，實行“差雇並行”。沈括的這個觀點是在王安石罷相後才提出的，對免役法的態度前後出現了微妙的變化，這就給反對他的人提供了口實。
熙寧十年（1077年），侍禦史蔡確以依附大臣（吳充）、越權言事（免役法歸司農寺負責）、前後態度不一等理由彈劾沈括。七月，沈括被罷去三司使、翰林學士，貶為起居舍人、集賢院學士、知宣州。
元豐元年（1078年），神宗打算起用沈括為知製誥、知潭州，蔡確再次上書，指責沈括“反複無常、附會大臣，被貶不足一年，不宜擢升”，詔命被撤回。元豐二年（1079年）七月，沈括複職龍圖閣待製、知審官院。
戍守西夏
元豐三年（1080年），沈括改知延州，兼任鄜延路經略安撫使，抵禦西夏。到了延州，沈括以朝廷所賜之錢買酒，召集邊民子弟開展騎馬射箭活動，並親自給優勝者敬酒祝賀，邊境百姓群情踴躍。活動持續了一年，沈括從中選拔出精銳之士，充實到邊防部隊，延州軍隊的聲威遠超其他州府。
元豐四年（1081年）十月，蕃部數萬人進攻邊關要塞順寧寨，沈括派少將景思誼、屈理帶三千兵馬進攻蕃軍；接著命前鋒李達領千人出擊，攜帶十萬人的軍糧，宣稱鄜延路總帥沈括將親自率軍督戰。蕃兵不知虛實，軍心渙散。宋軍乘勢進攻，攻下磨崖寨，得男女萬人，牛羊三萬。
十一月，奉命西討的河東兵十二將率軍東還，經過鄜延，沈括抓住時機，命部將在綏德城炫耀武力，聲稱宋廷已任命沈括兼領河東十二將的兵力，不日即興兵西討。駐守的西夏軍聞訊前來打探，果見大隊人馬聚集，聲勢浩大，信以為真，連夜棄城而逃。沈括兵不血刃的拿下了浮圖、吳堡、義合。
元豐五年（1082年）二月，沈括以“守安疆界、就副邊事有勞”，升為龍圖閣學士。四月，西夏打算以金湯城為據點，招兵買馬，攻打鄜延。沈括采取聲東擊西的戰術，派副總管曲珍率軍兩萬進軍東川，揚言要去攻打葭蘆，吸引西夏兵力布防，趁機攻下金湯。接著，沈括又用同樣的策略攻下了葭蘆。
兵敗永樂
元豐五年（1082年）五月，沈括與副使種諤奉詔條陳製夏方略，提出進取橫山以築城、以地理優勢直接威脅西夏的戰略主張，宋廷派給事中徐禧前往鄜延路節製軍事，共同申議。七月，沈括建議築城石堡、種諤提議銀州、徐禧主張永樂埭，終定為永樂城。八月，神宗降詔徐禧總領築城事宜，命沈括將帥府移到邊界，以接濟軍用物資和救援。十四日後築成，徐禧令景思誼領四千人鎮守，率餘部返回米脂。
九月九日，西夏出兵三十萬攻永樂城，曲珍忙報知徐禧，徐禧統兵兩萬五千往援，令沈括留守米脂。由於兵力相差懸殊，宋軍失利，夏軍乘勝圍城，截斷水源，永樂城危在旦夕。沈括率兵一萬前去支援，被夏軍阻在永定河岸；又羌兵八萬襲擊綏德，沈括權衡利弊，決定舍永樂而保綏德。種諤因反對築永樂城遭徐禧排擠，心懷舊恨，遂以守延州為名拒絕出兵解圍。九月二十日，永樂城失陷，徐禧、李稷、高永能、李舜舉等殉國，折官兩百三十人，損兵一萬兩千有餘（永樂城之戰），謀取橫山的計劃宣告失敗。
沈括作為一路帥臣，在明知永樂城“路險而遠、不利協防與救助；且地理位置險要，敵軍必爭”的情況下，不堅持己見，而選擇迎合徐禧，對永樂城之敗有不可推卸的責任。
歸隱夢溪
元豐五年（1082年）十月十七日，宋廷以沈括“議築永樂城，敵至卻應對失當”為由，貶為筠州團練副使，隨州安置。沈括到隨州後，寓居於法雲禪寺，無親無故，且行動受到很大限製。隨州的三年是沈括一生中最憂傷、灰暗的時期，他開始重新審視自己的政治生涯，甚至對從政萌生出一絲“悔意”。
元豐八年（1085年）三月，神宗駕崩，太子趙煦繼位，是為宋哲宗，大赦天下。沈括也得以內遷，改任秀州團練副使，本州安置、不得簽書本州公事。秀州地處江南，毗鄰故鄉杭州，沈括的心情得以從頹廢中好轉起來，遂專心於學問，開始整理熙寧九年奉旨編繪的《天下郡縣圖》。
元祐三年（1088年）八月，沈括編訂完成《天下郡縣圖》，被特許到汴京進呈。哲宗賜絹百匹，準許沈括在秀州境內自由行動。
元祐四年（1089年）九月，沈括改任朝散郎、守光祿少卿、分司南京，準於外州居住。接到詔命後，沈括就舉家搬遷至早年在潤州購置的夢溪園，在此隱居，創作《夢溪筆談》。
紹聖二年（1095年），沈括因病辭世，享年六十五歲。