1081年沈括率领鄜延路军队在固上大败西夏军以后，次年九月，西夏统治者又以三十万大军围攻宋朝西北要塞永乐城（今陕西米脂）。同时，以八万大军袭击绥德（今陕西绥德）。沈括当时手下只有一万多士兵。因为他奉命力保绥德，所以不可能分兵去解救永乐之围。结果，永乐失陷，宋军二万三千多人全部覆没。永乐的陷落，沈括本无责任。
但因这时王安石已经罢相，守旧派就借此机会攻击沈括，给他加上一个“抗敌不力”、“处理失当”的罪名，降职为均州（今湖北均县）团练使（武官名）。
沈括到了五十八岁的那年（1088），便到润州（今江苏镇江）隐居，称他的住所为“梦溪园”。从此以后，他没有再参加政治活动，而以全部精力来从事写作。他的著名著作《梦溪笔谈》便是这个时期写成的。他在润州隐居了八年， 1095年病逝，终年六十五岁。
关于《梦溪笔谈》
沈括对自然科学的研究非常专心。由于他的辛勤努力，刻苦钻研，终于在这一方面获得了辉煌的成就。
沈括是一个知识广博的学者。他在自然科学、历史、文学、艺术、政治、军事各方面的著作，见于记载的共有数
十种之多。可惜这些著作后来绝大部分都失传了。幸而在他晚年的几年隐居生活中，写成一部《梦溪笔谈》（以下简称《笔谈》）。他的这部有名的著作，一直完整地流传到现在。它不仅为我们介绍了我国古代劳动人民在科学技术方面的成就，保存了丰富的极有价值的资料；同时也使我们了解到这位杰出的学者在科学上的贡献和认真不苟的研究态度。
《笔谈》共二十六卷，另有《补笔谈》三卷，《续笔谈》一卷，共六百零九条。涉及的方面非常广泛，内容极其丰富。下面分别就自然科学、科学史、历史和考古学以及文学、艺术这几个主要部分略加介绍。
1沈括在自然科学方面的贡献
天文、历法和算学沈括在自然科学方面成就最大的首推天文、历法和算学。
在天文方面，据《笔谈》记载，他曾连续用了三个月的时间，每天夜间用“窥管”（是“浑仪”的一个重要组成部分）观测北极星的位置。他把初夜、中夜、后夜所看到的北极星的方位分别画在图上，一共画了二百多幅图。经过精心研究，最后他得出了当时北极星同北极的距离为三度多的科学结论。
早在东汉末年，我国伟大的天文学家张衡就曾对月亮的发光和盈亏原理作出了科学的说明。沈括在《笔谈》中更进一步发展了前人的学说。他认为：月亮好像一个银制的弹丸，本身是不会发光的，只是由于太阳的照射，它才反射出光来。月初（阴历）的时候人见太阳在月亮的旁边，月光生于月亮的一侧，所以看起来好像钩形。到了月中，太阳距月亮的角度渐大，日光斜照着月亮，月光就渐渐显得圆满。如果我们把一粒弹丸涂上一半白粉，再从侧面看去，有粉的地方看起来就像钩形；从正面看去，便是正圆形。他的这种解释在当时可以说是最接近科学原理的一种解释，而且用弹丸来做比喻，也使人非常容易理解。
沈括对于虹和大气的折射现象也有正确的解释。他认为虹的位置同太阳的位置是相对的，所以傍晚时的虹便出现在东方。他引用了当时另一位科学家孙彦先关于“虹是日光照着雨点而发生的”的论点，来解释虹是大气的折射现象。这种解释基本上是符合科学原理的。
沈括还发现，当太阳的光线通过大气到达地面时，在大气中发生折射作用，从而得出结论说：人们在地面上所观察到的太阳方向同太阳本身的实际位置是不一致的，人们所观察到的太阳高度要比太阳本身的实际高度大。沈括这一发现，在当时实在是一件了不起的创见。
在历法方面，沈括主张实行阳历，就是不以月亮的朔望定月，而是根据节气定月，取消闰月，也就是把一年分为十二个月，大月三十一天，小月三十天。实行这种历法，就可以避免计算和安排闰月的麻烦，同时节气也会更准确。这是一种很科学、很进步的历法，当时如能采用，对农业生产是有很大便利的。但是由于保守派的反对，他的新历法不仅没有被采用，还引起了一阵恶毒的攻击。沈括并没有因此而动摇自己的科学见解。他坚决相信：他的这种历法，以后是一定要被采用的。
沈括的新历法当时虽然没有实行，但是在他的援引和帮助之下，当时一位平民出身的历算家卫朴得以进入司天监，担任改革旧历法的工作。经过五年的努力，卫朴完成了一部比前代历法更为精密准确的《奉元历》。这部《奉元历》曾在宋朝颁行了十九年。
在数学方面，沈括发展了《九章算术》（我国古代一部数学著作，汇集了汉朝以前的数学知识）以来的等差级数，创造了新的高级等差级数求总和的算法——“隙级术”。“隙级术”的推算方法，是把许多同样的物体（如棋子、弹丸、缸、瓦盆等）摆成长方形，层层堆积起来，并且从上而下，每层在长、阔方面各增一个。这样，只要知道顶层和底层的长和阔，以及堆积的层数，就可以求出物体的总和数。
另外，沈括还发明了“会圆术”，就是从已知的圆的直径和弓形的高度来求弓形底和弓形弧的方法。
沈括的这两种算法都是在我国数学史上的重要贡献。
地理学和地质学沈括在地理学和地质学方面也有很大的成就。前面曾经提到，他在出使契丹回来以后，曾绘制一部《使契丹图抄》。他还用面糊调木屑和熔蜡制成地平模型。后来更进一步用木料制成立体模型地图。这种模型地图相当于现代的地形模型。宋神宗和一些大臣们看到以后，认为很有用处，就下令各边境地区，都按照这种方法把各地山川险要制成模型，送到朝廷集中保管，以备有事时应用。
沈括绘制地图，应用比例尺的办法来表明地图上的实际距离。他在地图上把一百里缩成二寸，绘成一部“天下郡县图”，同时又把全国郡县的位置用文字详细准确地记录下来。这样，即使地图遗失了，还可以根据记录重新绘制。沈括所用的这种绘图方法是很科学的。我们现在用的一般地图，除了测量地形用的仪器比以前更精确和利用经纬线以外，基本原理和沈括所用的并没有什么不同。
沈括在地质学上也有同样正确的认识和精辟的见解。例如他在《笔谈》上说到，浙江的雁荡山山峰峭拔险怪，上耸千尺，但都包在山谷之间，从岭外远望，一无所见，必须深入谷内，才能看到。他经过细心的观察和研究，得出结论说，雁荡山的这种特殊形状是由水的浸蚀作用造成的。他又由此联想到耸立在陕西黄土高原上的那种高达百尺以上的土峰，也认为是由于同一原因形成的，所不同的不过是一是黄土一是岩石罢了。
有一次，他因公事到河北路经过太行山，发现山崖的许多石壁上有很多螺蚌壳和鹅卵石。因此他就推想到这一带在太古时代一定是海岸。他的这种推想，是符合科学原理的。证实了河流的冲积作用和海陆变迁之间的因果关系。
沈括在延州的时候，曾在数十尺深的地下发现了一种很像竹子的化石。他同时又注意到在当时的气候条件下，延州是不会产竹子的。因此他根据这一情况推想到古代延州地方的气候可能比当时温暖而湿润。虽然他所见到的化石实际上并不是竹子而是一种古代的蕨类植物——芦木，但他能从一块化石上面发现古今植物生长条件的差异，从而进一步推想到古今气候的不同。由此可见，他对自然现象的观察和研究是多么细致认真。
关于地形和地面的高度对植物生长的影响，沈括也有正确的认识。例如他曾经观察到，同样一种植物，生长在平地上三月开花，而生长在深山里就要到四月才开花。他还引用了白居易写的“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”这句诗来说明这个问题。同时他还了解到江南和北方桃李开花的时间也先后不同。根据这种观察，他认为不同的地区、不同的地形和不同的气候对植物生长是有很大影响的。这种解释也是合乎科学原理的。
沈括还发现延州一带有石油矿。石油点燃后发烟很浓，用石油烟制成的墨，墨色和光泽要较一般用松烟制成的墨好得多。因此他曾大量地用石油烟来制墨。他并且预料到，后世一定会大规模地采用石油作为燃料，因为石油的蕴藏量是非常丰富的。在沈括以前，人们管石油叫“石液”或“石漆”，最早使用石油这个名称的，乃是沈括。