宋朝的通才科学家如沈括和苏颂代表了宋朝早期科技经验主义的思想。沈括通过精确测量子午圈，发现了地磁偏角的存在，比欧洲早了四百年。[4] 沈括还确定出北极星几个世纪运转的位置。这使得海员在航行时利用指南针更准确地确定方向。[4] 沈括对地质学也颇有研究。在长期观察奇怪的自然现象后，他阐明了一个地貌学和气候变化原理。[5][6]根据当时日食和月食的观测情况，他分析出太阳和月亮是球状的，而不是平面的，从而扩展了中国早期天文学家的理论。[7]担任司天监期间，沈括举荐北宋天文学家和数学家卫朴，两人一起运用宇宙学假设，描绘行星运行轨道的变更，包括逆行。[8][9]在卫朴的协助下，沈括连续5年来每晚三次记录和测绘月亮的运行轨迹，从而修正了关于月亮的运行的误差，这也是他的另一项重要成就。[10] 然而不幸的是，当时在朝廷上有很多政敌企图破坏沈括的工作。最终朝廷接受了他们对于太阳和月亮的错误的修正，但只是部分采纳了沈括和卫朴提出的关于行星运行的轨道和变速度的理论。[10]

苏颂是沈括的政敌之一，于1070年完成了一本药物学著作──《本草图经》，其中涵盖了相关的学科的知识，如植物学、动物学、冶金学和矿物学。[11][12] 该论著包括很多药物应用，如麻黄等。[13]他还是五幅不同的大型星图的作者，[14]他在地图学的大量测绘记录工作解决了宋朝和邻国契丹自辽朝以来一直悬而未决的边界疆土问题。[15]然而，苏颂最大的成就莫过于水运仪象台，上层是机械驱动的浑天仪（天体测量之用），中层是浑象仪（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器），1088年在当时的首都开封开始动工，1092年竣工。[16][17]苏颂的水运仪象台在钟摆机械的运用上比欧洲整整早了两个世纪。[18][19]苏颂的水运仪象台也是目前已知的世界上最早的链条传送动力的装备，在1092年他的著作《新仪象法要》中描述了设计要点。[20]

沈括和苏颂的例子说明了宋朝任用了许多具备科学知识的官员，这些人掌握了多个学科的知识，有利于宋朝的管理、军事和经济发展。这些智者如沈括涉及多个领域如数学、地理学、地质学、经济学、工程学、医学、艺术评论、考古学、军事战略、外交等等。[21][22] [23]他曾经接受一个边境调查的任务，用木头和锯末制作了一个三维的地图来表现山脉、河流、道路等。[22]有一次他计算了棋局所有的可能性，[24]还有一次他计算了用限定的人力物力携带食物能支撑的最长战争时间。[25] [22]沈括还提高了漏壶计时的准确性，改进了浑天仪、日晷，[26]他还扩大了天文望远镜的宽度，可以更好观察北极星和其它星球。[27] 沈括还做了关于照相机暗箱的试验，只比首位实验者海什木晚了几十年。