沈括天文成绩显著，制造了测日影的“圭表”得出“离天极三度有余”结论，著《十二气历》

沈括在“浑仪”的基础上制造了测日影的“圭表”
浑仪是测量天体方位的仪器，经过历代的发展演变，到北宋时，结构十分复杂，使用起来很不方便。

沈括对此作了很大改进：取消了浑仪上不能正确显示月球公转轨迹的月道环，放大了窥管口径，使其更便于观测极星，既方便了使用，又提高了观测精度。元世祖至元十三年（1276年），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，沈括对漏壶也进行了改革，把曲筒铜漏管改做直颈玉嘴，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。
沈括还制造了测日影的圭表，他意识到了蒙气差对测量精度的影响，主张采用三个候影表来观测影差，以克服蒙气差对精度的影响，据此制成的新式圭表，提高了北宋圭表测影的技术水平。
沈括观天象得出“离天极三度有余”的粗测结论
沈括对天象进行细致的观测，取得了一些新的发现与观测结果。例如，沈括用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算，一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为51秒。
沈括还详细观察了五星运行轨迹和陨石坠落时的情景；并为测量北极星与北天极的真实距离设计了窥管，每夜3次，连续三月，得200余图，得出当时极星“离天极三度有余”的粗测结论。
沈括提出《十二气历》，发明了新历
熙宁五年（1072年），沈括提举司天监，发现《大衍历》沿袭至宋已落后实际天象五十余刻，遂破格提拔卫朴改革旧历；熙宁八年（1075年），《奉元历》修成颁行。新历法改动了闰月和朔日的设置：熙宁十年冬至的临界时分原用午时，新历改用子时；闰十二月改为闰正月，以补算岁日朔日。
晚年时，沈括大胆革新，进一步提出了《十二气历》，以代替阴阳合历。按中国古代历法，阴历和阳历每年相差11天多，虽采用置闰的办法加以调整，仍有很多缺陷。沈括发明的新历，不用闰月；不以月亮的朔望定月，而参照节气定月；一年分为12个月，每年的第一天定为立春，这样既符合天体运行的实际，也有利于农业活动的安排。900 年后，英国气象局用于统计农业气候的 《萧伯纳历》，其原理也与《十二气历》相同。