在宋代，由于测绘技术的局限，绘制地图用的是“循路步之”法，也就是沿路步行丈量，用步行得出的数据绘制地图，由于道路弯弯曲曲，山川高低错落，用“循路步之”法绘制的地图与实况有很大的误差，图上差之一厘，实地就差之千米。
沈括很注重考察祖国的山河特点，进而形成了他的地理学说。沈括在地学方面反映了中国当时地学已经达到了先进水平。
他正确论述了华北平原的形成原因：根据河北太行山山崖间有螺蚌壳和卵形砾石的带状分布，推断出这一带是远古时代的海滨，而华北平原是由黄河、漳水、滹沱河、桑乾河等河流所携带的泥沙沉积而形成的。
当他察访浙东的时候，观察了雁荡山诸峰的地貌特点，分析了它们的成因，明确地指出这是由于水流侵蚀作用的结果。他还联系西北黄土地区的地貌特点，做了类似的解释。
他还观察研究了从地下发掘出来的类似竹笋以及桃核、芦根、松树、鱼蟹等各种各样化石，明确指出它们是古代动物和植物的遗迹，并且根据化石推论了古代的自然环境。
沈括视察河北边防的时候，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。这个做法很快便被推广到边疆各州。
熙宁九年（公元1076年），沈括奉旨编绘《天下州县图》。
他查阅了大量档案文件和图书，经过近二十年的坚持不懈的努力，终于完成了我国制图史上的一部巨作——《守令图》。
这是一套大型地图集，共计二十幅，其中有大图一幅，高一丈二尺，宽一丈；小图一幅；各路图十八幅（按当时行政区划，全国分做十八路）。图幅之大，内容之详，都是以前少见的。
在制图方法上，沈括提出分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直等九法，这和西晋．裴秀著名的制图六体是大体一致的。他还把四面八方细分成二十四个方位，使图的精度有了进一步提高，为中国古代地图学做出了重要贡献。
他的地理学说与《大宋天下郡守地图》在与辽国的边界谈判中发挥了重要作用。
北宋与辽国之间战争不断，签订《澶渊之盟》后双方罢兵休战。辽国垂涎中原地区的繁华，仗着骁勇的骑兵，不断提出领土要求。
宋熙宁八年（1075年），辽国派大臣萧禧来到东京，要求重新划定边界，他提出的边界是山西北部的黄嵬山，黄嵬山以北为辽国所有，以南为大宋朝所有，大宋朝如同意他的要求，等于将辽国的领土向南推进了三十多里。
黄嵬山是一座默默无闻、名不见经传的山脉，北宋大臣没人知道，朝廷上上下下乱作一团。
这时，朝廷想起了熟识地理的沈括，命他出任谈判特使，要他既不能轻开战衅，也不能向敌示弱而接受无理要求。
沈括他所恃的武器就是他的地理学说与《天下郡守图》。他向萧禧指出，两国按《澶渊之盟》划分边界，边界是白沟河，白沟河以北为辽国领土，以南为大宋领土，而黄嵬山在白沟河以南，是大宋的领土，而不是辽国的领土。
萧禧没有一张自己的地图，更不知道黄嵬山的准确方位，在地图面前，他感到理亏三分，气焰不知不觉地矮了一截，争论了几天后，双方无功而返，但没有将争论推向极端。
不久，沈括又受命出使辽国，在辽国首都上京再谈两国边界，这时辽国的谈判代表升了级，改成了辽国宰相杨益戒。
在谈判时，沈括再次提出以《澶渊之盟》为基础，以《天下郡守图》为依据，有理有节，寸步不让，而辽国宰相找不到重划边界的理由。这时，沈括又出示宋朝的木制地形模型，这使得辽国宰相大为惊奇，深感宋朝有奇才能人。
沈括终于使得辽国放弃了对宋朝的领土要求，他以一位外交家与地图学家，运用智慧捍卫了宋朝的尊严，把祖国的领土夺了回来。