远古神话沈括从小习剑舞枪，熟读过舅父许洞的兵书《虎钤经》，对北宋的边防战事素来关心。 由于王安石重视边防，西北边境地区的防务情况也随之大有好转。 宋朝廷从西夏手中收复了广大地域，但是在北方，契丹族的辽国国力日盛，虎视眈眈地威胁着宋朝廷的安全。 在河北边境，稍有一点加强防务的举动，如修堡垒、挖河沟，契丹就会立即向宋王朝提出抗议。
宋辽边境的紧张气氛，使神宗十分慌乱，匆忙发布命令，对民间的车辆实行登记，以备战事爆发时紧急征用。 神宗以为契丹入侵，必定用马队做前锋，对付马队必须动用兵车。 但是登记民车却引起了百姓的惊恐，百姓以为战火马上就要烧到家门口了，连自家的牛车官府都要征收了，再加上地方官吏和土豪劣绅乘机敲诈勒索，更是闹得鸡犬不宁、人心惶惶。
这个时期的北宋，阶级矛盾和民族矛盾都十分尖锐。 辽和西夏贵族统治者又经常侵扰中原地区，掳掠人口牲畜，给社会经济带来了更大的破坏。
这时，沈括婉转地劝神宗收回成命，不要再搞民间车辆登记。 沈括说：“对付契丹的马队，用兵车抵挡当然好。 只是打仗用的兵车都是马拉的战车，奔驰快速，绝非老百姓耕地驮载的老牛木车所能代替的。 时下登记民车，白白惊动老百姓，虚张声势而无实效，不如稳定民心，加紧做一些强国防务的事。 ”
熙宁七年（1074年），沈括被任命为河北西路察访使，任务是视察和整顿边防。 他沿用历来行之有效的陂塘拒敌方法，在同契丹接壤的河北平原上，利用原先修建的陂塘，筑埝灌水，成为大面积塘泊。 一旦契丹入侵，这大片的水面、沼泽，将会给敌人的马队造成极大的阻滞。
当时边境平静无战事，如果大张旗鼓修筑陂塘，势必会惊动契丹，招来干涉和破坏。 沈括和部下装做打猎的样子，作为掩护，实际上是在勘察地形，把方圆几百里的山河、道路和村寨了解得一清二楚。 随后，沈括决定向朝廷汇报边境的地势和修筑陂塘的计划，但怎样才能做到表达清晰，一目了然呢？他想，把小本本上的图做成立体的模型，那么山川、陂塘就如在眼前，形象逼真，不知胜过平面地图多少倍。
他尝试过用面糊和上木屑，捏出山脉、河谷的形状，但是面糊容易干裂，后来发现蜡烛油熔化后，滴注在木板上，容易塑成立体的地形图，还可以用小刀切削，在蜡烛油上还可以插各种竹扦作为标志。 这种蜡制立体地形图，便于制作，容易修改。 修改好以后，交木匠照样雕刻成木质地理模型，就十分精细逼真了。
立体地形图连同奏章由飞马报送朝廷，神宗看了十分满意。 他同意修复陂塘。 陂塘所占的地都是荒芜的盐碱地，灌水后兼收鱼、虾、荷、苇等副产品，成为北方边境自然屏障，是加强防务的好办法。
沈括修复了保州（今河北保定）、顺安军（今河北高阳东）一带绵延30里的塘泊。 又引徐、鲍等河水，注入废弃的徐村淀，成为横亘在深州（今河北深县）北方的50里水上防线。 他还在定州（今河北定县）北面的蒲阻旧城，利用废城堡垒安置营寨，以便密切监视契丹的动静；在深州、赵州（今河北赵县）加固城防；在澶州（今河南濮阳）架设浮桥。
在察访河北西路期间，沈括按照新法的要求，设置了保甲制度。 保甲法规定，每十户一小保，设保长；每十小保为一大保，有大保长；十大保组成一都保，有正副都保长。 男子为保丁，闲时耕牧，战时入伍。 都保结成坊市，外围设门筑墙，平时站岗巡逻，防止契丹奸细混入。 这些措施稳定了北宋的封建统治，也加强了边防力量。
沈括任河北西路察访使不久，朝廷见他熟谙军事，博学多才，又委任给他新的职务——兼判军器监，军器监主管军事改革和兵器生产的工作。 在这之前，兵器都是由各州、军的军器作坊制作，朝廷三司的胄案只是统计管理而已。 地方官吏往往偷工减料，应付差事，中饱私囊，致使兵器质量很差，既不坚固也不轻巧，不能适应战争的需要。 弓箭十有四五不能张开、远射，盔甲有的则是用纸糊麻缝，刀枪更是锈钝脆弱。
为了置盔甲、造箭，沈括深入作坊，向铁匠请教。 他见工匠将铁块烧红后，取出在铁砧上锤打，每锻一次称一次重，直至再锻锤后斤两不减，则百炼成钢。 这是热锻。 他还观看羌人冷锻，将厚厚的铁片锤打到只有原来的三分之一厚薄，做成铠甲，在五十步外用强弩射箭也不能入，偶尔射中甲片上用来缝缀的钻眼，箭头的铁竟然被钻眼边缘刮得翻卷过来，可见这种冷锻的铁甲，竟比热锻的更坚硬。 这样，沈括只用了一年多时间，就添置盔甲近八千副，造箭一百三十多万支，库存量明显增加。 假如战争爆发，足可供数十年之用！
古代打仗以步兵为主，讲究阵法。 阵法的运用是否得当，直接影响战斗力的发挥，因此神宗命六宅使郭固制定了《九军阵法》。
《九军阵法》以九军为一营阵（军队行进为阵，驻扎成营），外围环绕着驻扎另一支军队。 十万军队集中在方圆十里的范围之内，各军面面相对，而以侧背向敌。 阵法下达各军后，将领们认为这种阵法难以执行，便将实情上奏神宗，神宗令沈括重新议定。
沈括认为，天下哪里有供十万军队布阵的方圆十里的平坦之地呢，要是有山丘、溪谷、森林出现在阵地中，又该如何对待呢？这好比九个人包裹在一层皮里，怎么施展得开，怎么能发挥战斗力呢？这一阵法显然不切实际。
于是，沈括提出新的《九军阵法》：九军各自为阵，前后左右分列，各占有利地形，另以驻队向外伸展，也可依地形自成营阵。 这样，作战时九军分合自若，秩序井然，分则各成营阵，合则可为一大阵，当中形成“井”字形，四条通路，九营军队“背背相承，面面相向，四头八尾，触处为首”，配合默契，运动灵活。
神宗听后，觉得理由充分，当即下诏颁行沈括详定的《九军阵法》。 这一阵法收入沈括的著作《边州阵法》，在枢密院存档。
在兼判军器监任上，沈括除了研究阵法、兵器外，也研究修城筑垒的战守防御技术，编纂成《修城法式条约》一书，记载了当时城防用的敌楼、马面、团敌、女墙等法式。
“马面”是城墙向前突出的部分。 当敌兵迫近城墙根时，守城的士兵不必像过去那样，探出多半个身子去张弓射箭，以免遭敌人射击的危险。 他们可以在马面那儿，掩蔽在城墙的缺口里，向城墙根和邻近马面墙根处的近敌劲射。 沈括发现，马面是少数民族创造的防御工事，恰恰是北宋城防工事中所缺少的。
也正是这时候，契丹厉兵秣马，准备南侵。 他们派使者萧禧到汴京开封，向神宗致书，声称宋军侵越边界，修筑戍垒，占住居民，要求北宋后撤。 实际这是契丹蓄意挑起事端，制造口实是为了给南侵找借口，以此扩大版图。
辽国的通牒威胁一下达，一时间如巨石落水，在北宋激起轩然大波。 君臣忧心忡忡，急忙商议对策，七嘴八舌，一时都没了主意。
原来，宋朝廷自太宗统一中原和南方以后，为了收复五代时石敬瑭割让给契丹的幽州（今北京）、云州（今山西大同）等十六州，曾两次出兵攻辽，但是都被辽军打败。 后来，契丹大军直逼黄河北岸，开封吃紧。 宋军固守澶州，士气高涨。 宋军本来可以取胜，只因朝廷腐败畏战，反而向辽国请求议和，订下“澶渊之盟”（澶州又名澶渊郡）。 条约规定，宋朝廷每年向辽国交纳十万两白银、二十万匹绢。 从此，辽宋之间暂时未发生大的战事。
后来，契丹国力更加强盛，见北宋外交政权日渐柔弱，就想重温澶渊之盟旧梦。 北宋驳斥了契丹所有的无理要求，契丹就发动了战争，攻下了永乐城。 沈括身为鄜延路经略安抚使，措施不当，指挥有误，朝廷认为他负有首要责任，被贬为“团练副使员外郎”。
“团练副使员外郎”不过是一种挂名虚衔，名为州官，但必须住在随州（今湖北随县），而且不得处理公务，不准离开随州。 沈括实际上失去了人身自由，从此，他告别仕途，结束了自己的政治生涯。
其实沈括是冤屈的，在永乐筑城，他既非首倡，又一再反对；在永乐防务期间，他也曾向朝廷表明：永乐城守难，不如弃城；永乐城被围的时候，他一边派出军队救援，一边又返身固守绥德，以便保住鄜延大局。 朝廷当时派一位钦差大臣插手，此大臣胡乱指挥，造成永乐失守，理当负主要责任。
无奈之下，沈括洒泪惜别鄜延，这里有他驰骋过的疆场，他曾在这挥洒热血，戍边卫国。 这里有他开拓的草原，他曾施展才干，改革变法。 这里有他收复的国土，他曾激昂慷慨，向往塞外羌人尽唱汉人歌的胜利局面。
沿着漫漫黄土道，沈括满怀惆怅和困惑来到随州，栖身在法云禅寺里。
此时的他，不能再批阅公文、处理公事了，甚至连一个朋友和亲人都见不到，每天和孤寂、凄凉相伴。 在登上随州汉东楼时，他回想自己从青年时代起就为国事操劳，从地方到朝廷，再从江南村野到北疆塞外，刚过中年，就已经两鬓染霜，他不禁感慨万千，随口吟道：“野草粘天雨未休，客心自冷不关秋。 寨西便是猿啼处，满目伤心悔上楼。 ”
沈括过着闲居的生活，慢慢地，他发现随州竟是个天然的草药园。 吟诗读书之余，他便去拜访药农，识别草药，还串家走户，搜集民间中医的偏方和验方。 后来，沈括将收集到的医术和药方，著成《良方》一书。
沈括自幼身体羸弱多病，再加上长期秉烛夜读，患了眼病。 俗话说，“久病成医”，沈括就注意搜寻起医书来。 没想到，渐渐地，他竟然对医学产生了浓厚的兴趣，并对医药进行一番研究。 随着医学知识的不断积累，他的药用植物学知识已经十分广博，并且还有自己的独创。 在所著《良方》一书中，他批评一些医生只知医法，不懂变通，他认为人的疾病是会受到自然界变化的影响，虽相隔数里，但气候不同，相应的情况也会全然不同。 随着环境变化，会出现相应的流行疫病，应该根据当时当地的情况来治病，岂可以千篇一律？
同时，沈括从实物出发，辨别真伪，分析一物多名，纠正了许多古书上的错误。 比如杜若就是高良姜，赤剑和天麻是同一药……在采药的时间和部位上，他纠正了一些普遍的谬误。 比如，旧习惯在二月、八月采药，他认为不妥，应视药用部位是根、茎、叶、花还是实，具体决定采收时间；他举“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”为例，指出植物生长的地势有高低，一年有几熟，而栽培上功夫也不同，药草生长并不一律，要针对植物的实际生长情况和用药的需要来确定采药时间。
沈括主张对症下药，辨证施治，而不可呆板、硬性地规定“一君、二臣、三佐、四使”。 他主张把药性温和厚实的定为“君”，其次为“臣”、“佐”，有毒者多为“使”。 其实，“君”是一张药方中的主药，应视病情而定。 比如治疗积食腹胀，应以巴豆之类的泻药为主，那么有毒的巴豆也就是“君”，就是主药。
