安石的器重，被任为检正中书刑房公事。接着沈括奉命主持汴河疏浚工程，被加任史馆检讨。按照惯例，皇帝每三年要到圜丘祭祀天地，吏员常借此修建园林、谋取私利。沈括考察南郊大礼的历史沿革，撰成《南郊式》，被任命掌管郊祀事务。沈括按新礼仪办事，节省费用数以万计，赵顼对此十分满意。
淮南饥荒，沈括受命巡察。他发放常平仓钱粮，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，得到赵顼赞同。
沈括到两浙视察的时候，苏轼刚好在杭州任通判。两人曾是崇文院同事，有共同语言很多。不同的是，沈括支持王安石，苏轼倾向于司马光。政见虽然不同，沈括还是去看望了苏轼。老朋友久别重逢，相见甚欢。苏轼十分热情地接待了沈括，沈括问苏轼：“最近可有好作品，能否让兄一睹为快？”苏轼按捺不住兴奋，立马拿出新鲜出炉的作品。沈括说道：“写得真好，我可否抄录几首？”苏轼对沈括没有提防之心，爽快地答应了。沈括工整地抄好，如获至宝地带回京城。
沈括回京之后，得知御史何正臣、李定一正想整苏轼，两人是苏东坡的对头。沈括猛然记起自己带回的苏轼几首诗，于是他闭门谢客，仔细研究苏轼的诗作。功夫不负有心人，他终于找到几句含大不敬的诗句。如苏轼歌颂桧树，“根到九泉无曲处，世间唯有蛰龙知”，沈括心想，“皇帝如飞龙在天，可苏轼偏偏向九泉之下寻蛰龙，不臣莫过于此！”他连忙写了一道折子弹劾苏轼，交给了赵顼。但赵顼当时并未追究。
不过，赵顼不追究，并不意味着苏轼就没有事。五年后，何正臣、李定一联手上表弹劾苏轼，这就是著名的“乌台诗案”。他们手中的证据，正是他们从苏轼诗里挑选出来的几句有大不敬的句子，与沈括的做法如出一辙。比如：“东海若知明主意，应教斥卤变桑田”，被认定苏轼指责水利工程。“岂是闻韶忘解味，迩来三月食无盐”，被说成苏轼是讽刺禁止百姓卖盐，罪大恶极。最后，赵顼下令将苏轼打入大牢。苏东坡差点丢了老命，还连累了三十多位亲朋好友，令人唏嘘。这是后话，略过不提。
沈括回京之后，赵顼很满意他的表现，于是升他任太子中允、提举司天监。当时的官吏大都是庸碌之人，对天文几乎全然不知。沈括于是改革机构，改进仪器，召请卫朴修造新历法，向全国征集观测天象的书籍。
朝廷登记民间车辆，市易司打算填封私以阻止四川私贩井盐，民议纷纷。沈括进言道：“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
。”赵顼表示赞同，次日下诏停了此事，并擢升沈括为知制诰、兼管通进、银台司。
之后，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，将重点放在改革军政和巩固国防上。沈括返京后，上疏提出