宋朝时，由于航海事业的发达，在促进其他方面的科学技术大发展的同时，各式各样的指向工具也都应运而生。宋代大科学家沈括在他的《梦溪笔谈》中记载了针形指南针的四种装置方法。
一是水浮法，就是使磁针中部穿在一根灯芯草中，一起悬浮在水面上。二是指爪法(也叫指甲旋定法)，就是把磁针平放在指爪甲上，由于爪甲摩擦阻力较小，磁针很容易转动，就会在地磁场的作用下自动地指定南北方向。三是碗唇法(也叫碗沿旋定法)，就是把磁针平放在碗唇(碗的边缘棱)上，指向原理与指爪法相同。四是缕悬法(也叫丝悬法)，就是用一根茧丝系在磁针腰上，用芥子大小的蜡将它固定好，悬挂在没有风的地方，就会自然指向南北。沈括根据丰富的经验指出，在这四种支承法中，水浮法摇荡不稳，跟指南鱼的效果差不多，指爪法和碗唇法又容易滑落，以缕悬法为最佳。
后来，人们受指南龟用支撑法制造的启发，就模仿着造出了指南针，就是将磁针支撑在底盘上。制造指南针的基本技术在宋代就已经完成。可以说，现在航海上所使用的指向仪器虽然非常精密，但其基本原理和形式还是指南针。
由于指南针的制造和使用，我国人民在世界上最早发现了“磁偏角”的地磁学现象。沈括在他的科学名着《梦溪笔谈》中说：“方家以磁石摩针锋，则能指南，然常偏东，不全南也。”明确指出，指南针并不是指向正南方，而是稍微往东偏一些，“磁偏角”就是沈括为这种地磁学现象所起的名称。这在今天的中学生朋友看来，无疑属于很普通的常识了，因为地球的两个磁极并不恰好位于南极和北极上，而是有一段距离，这样，磁针所指的方向与连接地球南北极的子午线之间就形成了一个偏角，这个偏角在地球上不同的地方，大小是不一样的。我们知道，古代的科研手段是相当落后的，测算磁偏角当然也十分不容易。除沈括发现了指南针“常微偏东”之外，寇宗黎(shì)也发现了这一点，他说磁针“常偏丙位”，按照中国古人的测算，“偏丙位”，就是说磁偏角在零至十五度之间。欧洲人直到13世纪才知道这个磁偏角，并制造了用以测定磁偏角的磁倾针。但他们却误认为磁偏角是指南针构造木精密导致的。只是在15世纪末哥伦布在远渡大西洋时才确认有这个磁偏角，比我国晚了四百多年。
最初的指南针没有固定的方位盘相配合，沈括所描绘的几种指南针都没有方位盘。到南宋时才出现了罗经盘，或称之为地螺、针盘等，也就是使指南针与方位盘联成一体。这使指南针在航海中有了更加方便和广泛的应用。宋人吴自牧在《梦粱录》中曾说：“风雨晦冥时，惟凭针盘而行，及火长掌之，毫厘不敢差误，盖一舟人命所系也。”在狂风暴雨或天气阴暗之时，全船的身家性命全都寄托在这个针盘上，它能毫厘不差地指示方向，因为它上面有很精细的刻度。宋人曾三异《因话录》中也认为，“地螺或用子午正针，或用子午、丙壬间缝针”，这里的子、午、丙、壬表明针盘是按干支分划刻度的。这种指南针因有精确的刻度，比以前的指南鱼等使用起来方便多了。它的方便之处就在于：在它刻有二十四向的圆形底盘上，只要看一下磁针在方位盘上的位置，立即就能定出方位来。
需说明的是，罗盘也经历了从水罗盘到旱罗盘的转变。
罗盘起初是水罗盘，磁针横贯灯芯，浮在水面上。到明代嘉靖年间才出现了旱罗盘。旱罗盘类似于沈括所描述的指爪法和碗唇法，它的磁针是以钉子支在磁针的重心处，使支点的摩擦力十分小，磁针可以自由转动，静止时，就自然指向南方。这种罗盘用到航海上，又称航海罗盘，上定二十四向，就是把三百六十度的圆周分成二十四等分，以十五度为一向，亦称为正针。两正针夹缝中另设一向，称缝针。宋朝时，正、缝针就被合并，定四十八向，每向间隔七度三十分。这比后来西方的三十二向罗盘在定向上精确得多。
值得回味的事情是：指南针从指南勺、指南鱼到具有很高精度的罗盘的发展，是在宋代那些以看风水、看病为业的方士们的手里最先实现的。他们把指南鱼和指南勺磨制成灵敏度更高的磁针，并放到方形的方位盘中，后来演化成圆形的方位盘，就成为罗盘。这一点真是意味深长的：一个指引人们通向新世界的伟大发明，正是经过那些在旧的思想习俗世界中徘徊的人们的手，才推到历史的面前。以至于后来，当我们还沉浸在对“磁偏角”的经验认识和古老简朴的粗糙测算之中的时候，西方大都将磁和电结合起来，进行深入细致的科学研究，从而建立起麦克斯韦的电磁理论，最终将磁针这种东方人的古老发明融进了近现代科学的茫茫大海之中。
到什么地方，采用什么针位，一路航线都标记得非常清晰。元朝的航海典籍《海道经》和《大元海运记》，都有许多罗盘针路的记载。明代时，郑和七次下西洋，给后人留下的《郑和航海图》，就详细记载着郑和航海时的罗盘针路。
还在元代的1281年，中国航海商船的船长郑震就率领他的海船从泉州载着使臣出国远航，经过三个月时间到达斯里兰卡。当时的沿海航运也十分发达，还开辟了南洋航线和北洋航线，曾把江浙一带的米粮源源运往大都(今北京)。可见，指南针的应用及罗盘针路的出现，使中国古人获得了全天候航海的能力，到这个时候，人类才算第一次真正得到了在茫茫大海上昼夜航行的自由。
航海事业的发展确实得益于指南针的发明和应用。因此，宋代以后，大量的中国船只越出近海，乘千里长风，破万里涛浪，昼夜星驰在南洋和印度洋的惊涛骇浪之间，从而大大促进了中外经济和文化交流。