早年经历
宋仁宗天圣九年（1031年），沈括出生于浙江钱塘（今杭州市）沈氏家族，祖父沈曾庆曾任大理寺丞，父亲沈周、伯父沈同均为进士。沈括自幼勤奋好学，十四岁就读完了家里的藏书，并随父亲宦游州县，到过泉州、润州、简州和汴京等地，接触社会，增长见识，表现出对大自然的强烈兴趣和敏锐观察力。
沈括自幼体弱，加上读书十分用功，经常需要服食中药调理。钱塘沈氏在医药学颇有建树，有家传药学书籍《博济方》，受家庭影响，沈括也从搜集医方开始钻研医学。
皇祐二年（1050年），沈周知明州（宁波），沈括借居苏州母舅家，从舅舅许洞的著作与藏书中得益甚多，开始对军事产生强烈的兴趣。
步入仕途
皇祐三年（1051年），父亲沈周去世；至和元年（1054年），沈括以父荫入仕，任海州沭阳县主簿，遂治理沭水，开发农田，颇有政绩。工程结束后，沈括辞去职务，来到哥哥沈披在任的宁国县，准备科举考试。嘉祐六年（1061年），沈披主持芜湖万春圩工程，沈括有治水经验，遂献计献策并作了详细记录。
嘉祐八年（1063年），沈括进士及第，因排名在前六名之外，按制守选。次年，沈括守选期满，授扬州司理参军，负责一州刑狱。
治平二年（1065年），经淮南路转运使张蒭推荐，沈括被调入京师，编校昭文馆书籍，参与详订浑天仪，并在闲暇研究天文历法之学。熙宁元年（1068年），沈括升任馆阁校勘，有机会接触皇家藏书，进一步充实自己的学识。八月，母亲病逝，沈括辞官护送灵柩回钱塘。
参与变法
熙宁四年（1071年），沈括守丧期满，进京述职，得到神宗和王安石的器重，被任为检正中书刑房公事。
熙宁五年（1072年），沈括奉命主持汴河疏浚工程，七月，加官史馆检讨。按照惯例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏员常借此修建园林、谋取私利。沈括便考察南郊大礼的历史沿革，撰成《南郊式》 ，被任命掌管郊祀事务。沈括按照新礼仪办事，所省费用数以万计，神宗十分满意。
八月，淮南饥荒，沈括受命巡察，发放常平仓钱粮，疏通河渠，修治荒田，取得明显成效，升任集贤校理，巡察两浙农田水利。两浙水利工程规模浩大，沈括建议出钱雇用饥民兴建水利，得到神宗的赞同。九月，沈括升任太子中允、提举司天监。当时的日官都是些庸碌之人，对天文几乎全然不知。沈括遂改革机构，改进仪器，召请卫朴修造新历法，并向全国征集观测天象的书籍。
十一月，朝廷登记民间车辆，市易司打算填封私井以阻止四川私贩井盐，民议纷纷。沈括进言：民间都是太平车，不利于机动作战；小盐井很多，填封私井势必要加强警戒，得不偿失。神宗赞同，次日诏停此二事，擢升沈括为知制诰、兼管通进、银台司。
熙宁七年（1074年）八月，沈括调任河北西路察访使，提举河北西路义勇、保甲公事。河北西路地处北疆，沈括上任后，将工作重点放在改革军政和巩固国防上。次年二月返京后，沈括上疏，提出三十一条整改意见，多数都被神宗肯定与采纳。九月，沈括兼任判军器监，负责兵器的铸造与储备。沈括对弓有很深的研究，提出“弓有六善”的观点，并建议大批制造“神臂弓”。到次年五月，军器监上报朝廷时，兵器产量提高了十几倍。
熙宁八年（1075年）二月，沈括奉命修订“九军战法”，分九军为九营，各自为阵，背背相承，面面相向，灵活多变，名之为“边州阵法”。九月，编撰城垒、军营等建筑的营造法式。
出使辽国
熙宁八年（1075年）三月，宋辽边界冲突，辽要求以黄嵬山为分界线，宋廷不同意。辽使萧禧到汴京，指责宋廷谈判不诚，拖而不决，留在馆舍不肯离去。沈括就到枢密院查阅以前的档案文件，发现宋辽过去商定的协议是以古长城为界，而黄嵬山在古长城以南，相距有三十里之遥，遂上表呈报朝廷。神宗赏赐沈括白金一千两，让他以回谢使的身份出使辽国。
四月中旬，沈括从汴京出发时，预先找出相关书信档案数十件，让幕僚和吏员背熟。契丹宰相杨益戒每有问题提出，沈括就让手下吏员列举档案条文作答。谈判先后进行六次，杨益戒无言可对，就威胁说，以数里之地、绝两国之好，不利于和平。沈括以国之道义、民之根本为理由，申明寸土不让。在沈括一行力争下，辽廷最终有所退让，紧张的宋辽关系得以暂时缓解。
七月，沈括起程回国，据沿途地理形势、风俗民情画撰为《使契丹图抄》，献给朝廷。因出使有功，沈括被提拔为淮南、两浙灾伤州军体量安抚使；十月，权发遣三司使。次年十月，拜为翰林学士、权三司使。
弹劾被贬
熙宁九年（1076年）十月，王安石罢相，吴充继任同中书门下平章事。沈括到丞相府汇报政务，吴充问及免役法，沈括建议减免穷人的役钱，吴充赞同并上疏汇报给神宗。十一月，沈括再次上书要求减免下户役钱，并建议朝廷将旧有的差役法和现行的免役法有机结合起来，实行“差雇并行”。沈括的这个观点是在王安石罢相后才提出的，对免役法的态度前后出现了微妙的变化，这就给反对他的人提供了口实。
熙宁十年（1077年），侍御史蔡确以依附大臣（吴充）、越权言事（免役法归司农寺负责）、前后态度不一等理由弹劾沈括。七月，沈括被罢去三司使、翰林学士，贬为起居舍人、集贤院学士、知宣州。
元丰元年（1078年），神宗打算起用沈括为知制诰、知潭州，蔡确再次上书，指责沈括“反复无常、附会大臣，被贬不足一年，不宜擢升”，诏命被撤回。元丰二年（1079年）七月，沈括复职龙图阁待制、知审官院。
戍守西夏
元丰三年（1080年），沈括改知延州，兼任鄜延路经略安抚使，抵御西夏。到了延州，沈括以朝廷所赐之钱买酒，召集边民子弟开展骑马射箭活动，并亲自给优胜者敬酒祝贺，边境百姓群情踊跃。活动持续了一年，沈括从中选拔出精锐之士，充实到边防部队，延州军队的声威远超其他州府。
元丰四年（1081年）十月，蕃部数万人进攻边关要塞顺宁寨，沈括派少将景思谊、屈理带三千兵马进攻蕃军；接着命前锋李达领千人出击，携带十万人的军粮，宣称鄜延路总帅沈括将亲自率军督战。蕃兵不知虚实，军心涣散。宋军乘势进攻，攻下磨崖寨，得男女万人，牛羊三万。
十一月，奉命西讨的河东兵十二将率军东还，经过鄜延，沈括抓住时机，命部将在绥德城炫耀武力，声称宋廷已任命沈括兼领河东十二将的兵力，不日即兴兵西讨。驻守的西夏军闻讯前来打探，果见大队人马聚集，声势浩大，信以为真，连夜弃城而逃。沈括兵不血刃的拿下了浮图、吴堡、义合。
元丰五年（1082年）二月，沈括以“守安疆界、就副边事有劳”，升为龙图阁学士。四月，西夏打算以金汤城为据点，招兵买马，攻打鄜延。沈括采取声东击西的战术，派副总管曲珍率军两万进军东川，扬言要去攻打葭芦，吸引西夏兵力布防，趁机攻下金汤。接着，沈括又用同样的策略攻下了葭芦。
兵败永乐
元丰五年（1082年）五月，沈括与副使种谔奉诏条陈制夏方略，提出进取横山以筑城、以地理优势直接威胁西夏的战略主张，宋廷派给事中徐禧前往鄜延路节制军事，共同申议。七月，沈括建议筑城石堡、种谔提议银州、徐禧主张永乐埭，终定为永乐城。八月，神宗降诏徐禧总领筑城事宜，命沈括将帅府移到边界，以接济军用物资和救援。十四日后筑成，徐禧令景思谊领四千人镇守，率余部返回米脂。
九月九日，西夏出兵三十万攻永乐城，曲珍忙报知徐禧，徐禧统兵两万五千往援，令沈括留守米脂。由于兵力相差悬殊，宋军失利，夏军乘胜围城，截断水源，永乐城危在旦夕。沈括率兵一万前去支援，被夏军阻在永定河岸；又羌兵八万袭击绥德，沈括权衡利弊，决定舍永乐而保绥德。种谔因反对筑永乐城遭徐禧排挤，心怀旧恨，遂以守延州为名拒绝出兵解围。九月二十日，永乐城失陷，徐禧、李稷、高永能、李舜举等殉国，折官两百三十人，损兵一万两千有余（永乐城之战），谋取横山的计划宣告失败。
沈括作为一路帅臣，在明知永乐城“路险而远、不利协防与救助；且地理位置险要，敌军必争”的情况下，不坚持己见，而选择迎合徐禧，对永乐城之败有不可推卸的责任。
归隐梦溪
元丰五年（1082年）十月十七日，宋廷以沈括“议筑永乐城，敌至却应对失当”为由，贬为筠州团练副使，随州安置。沈括到随州后，寓居于法云禅寺，无亲无故，且行动受到很大限制。随州的三年是沈括一生中最忧伤、灰暗的时期，他开始重新审视自己的政治生涯，甚至对从政萌生出一丝“悔意”。
元丰八年（1085年）三月，神宗驾崩，太子赵煦继位，是为宋哲宗，大赦天下。沈括也得以内迁，改任秀州团练副使，本州安置、不得签书本州公事。秀州地处江南，毗邻故乡杭州，沈括的心情得以从颓废中好转起来，遂专心于学问，开始整理熙宁九年奉旨编绘的《天下郡县图》。
元祐三年（1088年）八月，沈括编订完成《天下郡县图》，被特许到汴京进呈。哲宗赐绢百匹，准许沈括在秀州境内自由行动。
元祐四年（1089年）九月，沈括改任朝散郎、守光禄少卿、分司南京，准于外州居住。接到诏命后，沈括就举家搬迁至早年在润州购置的梦溪园，在此隐居，创作《梦溪笔谈》。
绍圣二年（1095年），沈括因病辞世，享年六十五岁。