杰出的天文学家
沈括还是一个杰出的天文学家。熙宁五年（公元1072年），沈括负责领导司天监。在任职期间，他先后罢免了6名不学无术的旧历官，不计出身，破格推荐精通天文历算、出身平民的淮南人卫朴进入司天监，主持修订新历的重要工作。
沈括和卫朴治学态度认真，对旧历官凭借演算凑数的修历方法非常不满，主张从观测天象入手，以实测结果作为修订历法的根据。为此，沈括首先研究并改革了浑仪、浮漏和影表等旧式的天文观测仪器。
浑仪是测量天体方位的仪器。经过历代的发展和演变，到宋朝，浑仪的结构已经变得十分复杂，三重圆环，相互交错，使用起来十分不便。为此，沈括对浑仪作了比较多的改革。他一方面取消了作用不大的白道环，把仪器简化、分工，再借用数学工具把它们之间的关系联系起来；另一方面又提出改变一些环的位置，使它们挡不住观测视线。
沈括的这些改革措施为仪器的发展开辟了新的途径。后来郭守敬创制的新式测天仪器——简仪，就是在这个基础上产生的。
漏壶是古代测定时刻的仪器，由几个盛水的容器装置成阶梯的形式，每一容器下侧都有孔，依次往下一容器滴水漏水。最下面的容器没有孔，里面装置有刻着时间标度的“箭”。随着滴漏水面升高，“箭”就慢慢浮起，从显露出来的刻度可以读出时刻。
沈括对漏壶也进行了改革。他把曲筒铜漏管改为直颈玉嘴，并且把它的位置移到壶体下部。这样流水更加通畅，壶嘴也坚固耐用多了。此外，沈括还制造了测日影的圭表，而目改进了测影方法。
沈括在《浑天仪》、《浮漏议》和《景表议》等三篇论文中介绍了他的研究成果，详细说明改革仪器的原理，阐发了自己的天文学见解，在我国天文学史上具有重要的作用。