北宋时人们发明了人工磁化技术和磁针的装置、使用方法（磁针即指南针）。沈括更是在实验中发现了地磁偏角现象，使我国成为最早记录地磁偏角的国家。指南针在北宋时就已经广泛应用于海上航行了。
宋代也是中国传统天文学重要的发展时期。北宋一代先后进行过五次大规模的恒星观测，取得了大量新的数据。两宋时期更是先后十六次修订历法，南宋杨忠辅主持修订的《统天历》的回归年长度为365.2425天，被元代郭守敬编制《授时历》时所采用，这与当今世界通用的格列高利历的数值是一致的。
宋哲宗时，苏颂和韩公廉设计制造了水运仪象台，它是一座三层的木结构建筑，上层为屋顶可以开合的平台，装有观测天体的浑仪，中层为演示天象的浑象，下层为钟鼓钲、木人等自动报告时、刻、日出、日落时间的系统。全部仪器以漏壶流水为动力，驱动一整套齿轮、杠杆、水车等机械装置，集观测、演示天象和计时报时等多种功能于一身。为了克服机轮运动产生的加速度，他们在水车上安装了类似如今机械钟表上的擒纵器部件，以使整台仪器保持恒速运转，与天体运行完全合一。可见，宋朝时在天文仪器的制造方面已经达到了很高的水平。