在物理学方面，他记述了指南针的四种使用方法，即水浮法、置指甲上、置碗唇上和悬丝法；并指出指南针不全指正南，而常微偏东；指南针有指南、指北两种。这是关于指南针发明、应用，及地球磁偏角之发现的重要史料。西方直到1492年才由哥伦布发现，比沈括足足晚了400多年。
在地理学方面，沈括以其丰富的阅历，撰写了有关山川、地名沿革与考辨的条目，为研究自然地理提供了宝贵的史料。沈括对各地重要物产、重要生产与生活资料的产销与经营管理等方面的记述，为研究北宋时期政治经济地理提供了重要参考。
沈括考察了温州雁荡山独特地形地貌并分析其成因之后指出：“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，唯巨石岿然挺立耳。”这种“流水侵蚀作用”的看法是十分正确的，这一观点，直到18世纪末英国的赫顿在《地球理论》一书中才出现，比沈括晚了约700年。著名科学家竺可桢20世纪20年代便曾撰文《北宋沈括对地学之贡献与纪述》，高度评价《梦溪笔谈》在地理学方面的重要贡献。
“石油”一词就是在《梦溪笔谈》中最早被记载的：“邝、延境内有石油，旧说‘高奴县出脂水’，即此也。生于水际，沙石与泉水相杂，惘惘而出，土人以雉尾挹之，乃采入缶中。”这说明沈括在延州为官、对西夏用兵时，就发现了当地的石油。
石油在宋代又叫猛火油，作用主要是照明、制作石墨和用于军用物资。在冷兵器时代，石油是火攻的重要物资，北宋曾公亮在1044年写《武经总要》时，就把石油作为重要的军用物资收入书中。
沈括还发现了石油的烟可制墨，并进行实验，发现“黑光如漆，松墨不及也”，断定这种墨将来会大行于世，他建议推广这种石油烟做的墨， 从而少砍伐林木做墨，以此保护生态环境。为此他还赋诗一首：“二郎山下雪纷纷，旋卓穹庐学塞人。化尽素衣冬未老，石烟多似洛阳尘。”
