八月，淮南饥荒，沈括受命巡察，发放常平仓钱粮，疏通河渠，修治荒田，取得明显成效，升任集贤校理，巡察两浙农田水利。两浙水利工程规模浩大，沈括建议出钱雇用饥民兴建水利，得到神宗的赞同。九月，沈括升任太子中允、提举司天监。当时的日官都是些庸碌之人，对天文几乎全然不知。沈括遂改革机构，改进仪器，召请卫朴修造新历法，并向全国征集观测天象的书籍。

　　十一月，朝廷登记民间车辆，市易司打算填封私井以阻止四川私贩井盐，民议纷纷。沈括进言：民间都是太平车，不利于机动作战；小盐井很多，填封私井势必要加强警戒，得不偿失。神宗赞同，次日诏停此二事，擢升沈括为知制诰、兼管通进、银台司。

　　熙宁七年（1074年）八月，沈括调任河北西路察访使，提举河北西路义勇、保甲公事。河北西路地处北疆，沈括上任后，将工作重点放在改革军政和巩固国防上。次年二月返京后，沈括上疏，提出三十一条整改意见，多数都被神宗肯定与采纳。九月，沈括兼任判军器监，负责兵器的铸造与储备。沈括对弓有很深的研究，提出“弓有六善”的观点，并建议大批制造“神臂弓”。到次年五月，军器监上报朝廷时，兵器产量提高了十几倍。

　　熙宁八年（1075年）二月，沈括奉命修订“九军战法”，分九军为九营，各自为阵，背背相承，面面相向，灵活多变，名之为“边州阵法”。九月，编撰城垒、军营等建筑的营造法式。

出使辽国
　　熙宁八年（1075年）三月，宋辽边界冲突，辽要求以黄嵬山为分界线，宋廷不同意。辽使萧禧到汴京，指责宋廷谈判不诚，拖而不决，留在馆舍不肯离去。沈括就到枢密院查阅以前的档案文件，发现宋辽过去商定的协议是以古长城为界，而黄嵬山在古长城以南，相距有三十里之遥，遂上表呈报朝廷。神宗赏赐沈括白金一千两，让他以回谢使的身份出使辽国。

　　四月中旬，沈括从汴京出发时，预先找出相关书信档案数十件，让幕僚和吏员背熟。契丹宰相杨益戒每有问题提出，沈括就让手下吏员列举档案条文作答。谈判先后进行六次，杨益戒无言可对，就威胁说，以数里之地、绝两国之好，不利于和平。沈括以国之道义、民之根本为理由，申明寸土不让。在沈括一行力争下，辽廷最终有所退让，紧张的宋辽关系得以暂时缓解。