从内容上说，《梦溪笔谈》以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识，这在笔记类著述中是少见的。
书中的自然科学部分，总结了中国古代、特别是北宋时期科学成就。
天文学及历法
《梦溪笔谈》中有关天文、历法方面的记述有20多条。研究者认为沈括对古代天文科学、历法的贡献主要有四个方面：
一是改进了一批天文仪器。如浑仪，沈括大胆改进了其结构，取消了浑仪上不能正确显示月球公转轨迹的月道环，放大了窥管口径，使其更便于观测极星，既方便了使用，又提高了观测精度。沈括还改进过壶漏、圭表等。
二是对天象进行细致的观测，取得了一些新的发现与观测结果。例如，沈括用晷、漏观测发现了真太阳日有长有短。经现代科学测算，一年中真太阳日的极大值与极小值之差仅为51秒。
三是提出了“十二气历”说，较好地解决了古代历法中一直存在着的阴阳历之间难以调和的矛盾。
四是在担任司天监职务期间，大胆起用布衣卫朴进行历法改革，也针对当时司天监、天文院存在的一些弊端进行过整肃。
地理科学
《梦溪笔谈》有30多个条目涉及自然地理、政治经济地理、测量、地图制作等。沈括以其丰富的阅历，撰写了有关山川、地名沿革与考辨的条目，为研究自然地理提供了宝贵的史料。
沈括对各地重要物产、重要生产与生活资料的产销与经营管理等方面的记述，为研究北宋时期政治经济地理提供了重要参考。
沈括考察了温州雁荡山独特地形地貌并分析其成因之后指出：“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，唯巨石岿然挺立耳。”这种“流水侵蚀作用”的看法是十分正确的，这一观点，直到18世纪末英国的赫顿在《地球理论》一书中才出现，比沈括晚了约700年。著名科学家竺可桢20世纪20年代便曾撰文《北宋沈括对地学之贡献与纪述》，高度评价《梦溪笔谈》在地理学方面的重要贡献。
物理学
《梦溪笔谈》有10多条记述涉及光学、磁学、声学等领域。如对“阳燧凹面镜成像及光线聚焦原理的正确描述；对“琴弦共振”现象的观察与分析；对“古人铸鉴”时正确处理镜面凹凸与成像大小关系的研究与分析，对古代神奇的透光铜镜原理的正确推论；对利用磁石使铁针磁化用以制作指南针，以及磁石极性、磁针不完全指南（即磁偏角）现象的发现、描述与研究，都极具研究价值。尤其是磁偏角的发现，西方直到1492年才由哥伦布发现，比沈括足足晚了400多年。
数学
《梦溪笔谈》中有7条笔记涉及数学，涉及的面较广且多有创见。被数学界尊为中国古代数学研究的重要成就，其中就包括了沈括首创的隙积术和会圆术。
在数学研究与应用方面的还有：提出了如何计算围棋可能的总局数的方法，并指出：“……然算术不患多学，见简即用，见繁即变，乃为通术也”，这实际上反映了他不拘一法、解法多样化、简约化的思想。在象数中，沈括否定了数的神秘性，肯定了数与物的关系。
此外，笔记中关于测量汴河水位落差的方法等，都从不同的侧面体现了沈括非凡的数学才能以及统筹与应用的数学思想。
生物学
《梦溪笔谈》中与生物学相关的条目比较多，有30多条。大量研究文章充分肯定了沈括对生物学诸多方面作出的贡献，如：对动、植物分类、形态等的记述，对动、植物的地域分布的记述，对一批药用植物进行的考辨与记述，对古生物化石的研究与记述，以及对生物的相生相克现象的观察与分析等，都具有极高的研究价值。
