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　　沈括還是一個杰出的天文學(xué)家。熙寧五年（公元1072年），也就在沈括負(fù)責(zé)汴河水建設(shè)時，沈括還負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)司天監(jiān)，在任職期間，他先后罷免了六名不學(xué)無術(shù)的舊歷官，不計出身，破格推薦精通天文歷算、出身平民的淮南人衛(wèi)樸進入司天監(jiān)，主持修訂新歷的重要工作。沈括和衛(wèi)樸治學(xué)態(tài)度認(rèn)真，對舊歷官憑借演算湊數(shù)的修歷方法非常不滿，主張從觀測天象入手，以實測結(jié)果作為修訂歷法的根據(jù)。為此，沈括首先研究并改革了渾儀、浮漏和影表等舊式的天文觀測儀器。
　　渾儀是測量天體方位的儀器。經(jīng)過歷代的發(fā)展的演變，到宋朝，渾儀的結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得十分復(fù)雜，三重圓環(huán)，相互交錯，使用起來很不方便。為此，沈括對渾儀作了比較多的改革。他一方面取消了作用不大的白道環(huán)，把儀器簡化、分工，再借用數(shù)學(xué)工具把他們之間的關(guān)系聯(lián)系起來（“省去月道環(huán)，其侯月之出入，專以歷法步之”）；另一方面又提出改變一些環(huán)的位置，使它們不擋住觀測視線。沈括的這些改革措施為儀器的發(fā)展開辟了新的途徑。后來元朝郭守敬于元世祖至元十三年（公元1276年）創(chuàng)制的新式測天儀器——簡儀，就是在這個基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
　　漏壺是古代測定時刻的儀器，由幾個盛水的容器裝置成階梯的形式，每一容器下側(cè)都有孔，依次往下一容器滴水漏水。最下面的容器沒有孔，里面裝置有刻著時間標(biāo)度的“箭”，隨著滴漏水面升高，“箭”就慢慢浮起，從顯露出來的刻度可以讀出時刻。沈括對漏壺也進行了改革。他把曲筒銅漏管改做直頸玉嘴，并且把它的位置移到壺體下部。這樣流水更加通暢，壺嘴也堅固耐用多了。
　　此外，沈括還制造了測日影的圭表，而且改進了測影方法。
　　沈括在《渾儀議》、《浮漏議》和《景表議》等三篇論文中介紹了他的研究成果，詳細(xì)說明改革儀器的原理，闡發(fā)了自己的天文學(xué)見解，在是我國天文學(xué)史上的具有重要的作用。
　　沈括和衛(wèi)樸的一系列革新活動遭到守舊勢力的攻擊和陷害。在沈括和衛(wèi)樸的堅決斗爭下，衛(wèi)樸主持修訂的奉元歷終于在熙寧八年（公元1075年）修成頒行。但是，由于守舊勢力阻撓和破壞，比較先進的奉元歷只實行了十八年就被廢止了。但是沈括并不因此而灰心，在晚年又進一步提出了用“十二氣歷”代替原來歷法的主張。我國原來的歷法都是陰陽合歷，而“十二氣歷”卻是純粹的陽歷。它以十二氣作為一年，一年分四季，每季分孟、仲、季三個月，并且按節(jié)氣定月份，立春那天算一月一日，驚蟄算二月一日，依此類推。大月三十一天，小月三十天，大小月相間，即使有“兩小相并”的情況，不過一年只有一次。有“兩小相并”的，一年共有三百六十五天；沒有的，一年共三百六十六天。這樣，每年的天數(shù)都很整齊，用不著再設(shè)閏月，四季節(jié)氣都是固定的日期。至于月亮的圓缺，和寒來署往的季節(jié)無關(guān)，只要在歷書上注明“朔”、“望”就行了。沈括所設(shè)計的這個歷法是比較科學(xué)的，它既符合天體運行的實際，也有利于農(nóng)業(yè)活動的安排。他預(yù)見到他的這一主張必定會遭到頑固守舊派的“怪怒攻罵”，極力阻撓，而暫時不能實行，但是，他堅信“異時必有用予之說者”。果然，近八百年后，偉大的農(nóng)民革命政權(quán)——太平天國所頒行的天歷的基本原理和沈括的“十二氣歷”是完全一致的。現(xiàn)在世界各國采用的公歷，也就是陽歷，其實在分月上還不如沈括的“十二氣歷”合理。