宋仁宗天圣九年，沈括在浙江钱塘一个官僚家庭出生。祖父曾任北宋大理寺丞，父亲沈周则在泉州、开封、江宁做过地方官。而他的外公曾为太子洗马，舅舅许洞则是咸平三年进士。外祖父一家也是书香官僚家庭，早就了沈括的母亲许氏，也是一位有文化有教养的大家闺秀。
出生在这样一个家庭，意味着沈括会比寻常百姓接受到更好的教育。至他晓事之后，母亲就在一旁指导监督他的学习。沈括本人勤奋聪颖，对待学习十分认真，所以到了十四岁的时候就已经读完了家中藏书。
再年长点以后，因为父亲任职的关系，随父辗转福建泉州、江苏润州、四川简州和京城开封等地。随父亲一起调任各地，让沈括得以接触大社会，对民生有所了解，增长见识，不至于成为只知道读书的书呆子。也大概是在这一时期，沈括开始对医药产生兴趣。
皇佑三年，沈括的父亲沈周去世。在为父亲守丧完毕之后，得以靠父亲的荫蔽进入仕途，为海州沭阳主簿。任职期间，他修筑渠堰，开发农田，关心民生疾苦，政绩颇显。
嘉佑八年，沈括三十三岁，终于进士及第，任职的底气十足。放榜之后，沈括被任命做扬州司理参军，掌管刑讼审讯。三年后因为工作出色，所以被长官推荐到昭文馆编校书籍。在这一时期他开始接触到大量的天文书籍，并开始从事研究天文历算。
熙宁二年，在宋神宗的支持下，王安石担任宰相一职，开始实行变法，史称熙宁变法。沈括因为积极支持变法运动，所以受到变法派王安石的重用，被举荐为三司使等重要职位。两年后，兼任提举司天监、史馆检讨。
熙宁六年，沈括担任集贤院校理，职务的便利使他能够接触到大量的皇家藏书。而丰富又种类繁多的皇家藏书，让沈括流连忘返。在这么 好的条件下，沈括最终写出了《浑仪议》、《浮漏议》、《景表议》、《修城法式条约》、《营阵法》等书籍。
熙宁八年，出使契丹国，与契丹国交涉划界事宜。而在这期间，他将自己在辽国的所见所谓，汇总编撰，写出了《使虏图抄》一书，讲述了辽国山川险阻及风俗人情。此次出使最终达成目的，所以回国之后，很快由翰林侍读学士，升翰林学士，权三司使。不过后来因为王安石变法失败，遭到守旧派抨击。沈括作为变法运动的支持者，也同样受到牵连，被外放宣州为知州。
元丰二年，历史上著名的乌台诗案爆发。沈括出面指责苏轼，造成苏轼被贬官黄州。第二年因为西夏国时刻骚扰边境，沈括改知延州，兼任鄜延路经略安抚使，抵御西夏入侵。
元丰五年，升龙图阁学士。不过不久因为永乐城惨败，造成平夏城大捷以后良好的统一形势被葬送。沈括作为领导，也富有极大责任，被贬为均州团练副使。沈括这个时候，基本上已经可以宣告他政治生命的完结了。此后他一直居住在均州，直到元祐二年《守令图》成，才被特许进京亲呈。
元祐三年，移居润州，建“梦溪园”隐居。正是因为有这么一座庄园，才有了《梦溪笔谈》这个名字。
宋哲宗绍圣二年，沈括在梦溪园去世。虽然他本人的生命走到了重点，但是他一生所著的几十种著作一直保存到现在。特别是他的《梦溪笔谈》，更是让他名垂青史，被人铭记。