沈括提出“流水侵蚀作用”形成“雁荡山”，用“飞鸟图”代替“循路步”制图

沈括提出“流水侵蚀作用”形成“雁荡山”，根据化石推究气侯变迁
沈括根据太行山岩石中的生物化石和沉积物，分析出华北平原过去曾是海滨，今已东距大海已千余里，而华北平原是由黄河、滹沱河、涿水、桑乾河等冲积形成的。这是对华北平原成因（冲积平原）最早的科学解释。

沈括根据峭拔险峻的雁荡诸峰顶部在同一平面上的现象，推断雁荡山是由流水侵蚀作用而形成：流水将疏松破碎的岩石、土壤等冲走，留下坚硬、固结而耸峭的山峰。这种“流水侵蚀作用”的看法是十分正确的，直到18世纪末，英国的赫顿在《地球理论》一书中才提出类似观点，比沈括晚了约700年。
沈括还详细记录了各地发现的化石、并根据化石来推究古代气候的变迁，解释虹的大气折射现象，科学地描述了龙卷风生成的原因、形态和破坏威力，用月亮的盈亏来论证日、月的形状及海潮与月球的关系等等。沈括对自然地理的研究，在许多方面都走在了当时世界的前列。
沈括用“飞鸟图”代替传统的循路步法制图
元佑二年（公元1087年），历经十二年不懈的努力，沈括完成了奉旨编绘的《天下州县图》，图幅之大，内容之详，前所罕见。全套地图共有二十幅，包括全国总图和各地区分图，比例为九十万分之一。在制图方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九个方法，并按方域划分出“二十四至”，从而大大提高了地图的科学性。可惜南宋战乱频发，此图竟毁于战火之中，成为千古遗憾。
沈括还首创了用“飞鸟图”来绘制地图，以代替传统的循路步法制图。“飞鸟图” 也就是“取鸟飞之数”，用的是飞鸟直达的距离，类似航空拍摄，这使地图的精确度大为提高。
沈括视察河北边防的时候，还曾经把所考察的山川、道路和地形，在木板上制成立体地理模型，呈现给神宗。这是中国地图史上木质地形图的第一次明确记载，比瑞士十八世纪出现的地理模型图早七百年。