公元1074年，宋与辽发生边境事端。双方派代表在代州边界上的黄平谈判。但由于辽方一再设置障碍，致使谈判不欢而散。第二年，辽方派使臣肖禧到宋京，声称：“不解决问题，誓不返辽。”宋方官员经常与肖禧通宵达旦谈判，因辽方无理纠缠，谈判毫无进展。
神宗忧心忡忡，他既不想与辽军交战，又不愿割让领土求和，最后决定派遣沈括前去谈判。
沈括早年对宋，辽边界做过仔细研究，这次接到出使辽国的使命后，又查阅了档案、典籍，并向有关官员进行了解，弄清辽方两次所提疆界前后不一。第一次所提与第二次所提有争议的黄克山，相差30里。他连夜草奏，上呈神宗。神宗看了奏章，向群臣说：“以往主持谈判的大臣不究本末，贻误国事。沈括精神如是，朕无忧矣。”神宗按沈括提供的资料，还亲自绘制了一张地图。
第二天，沈括携带地图到馆舍拜会辽使肖禧。沈括说：“下官受皇上的委托，奉陪阁下，贵国有何要求，请向我提出。”
肖禧以十分傲慢的口气说：“宋朝违背条约，侵犯我大辽边界。我们早有照会，要求重定边界。大辽皇帝派我来东京，此事不解决，我无法回朝复命。”
沈括面带微笑道：“本人对边界情况略知一二。贵国在照会中说的有争议地界，较原协议向前推进30里。不知阁下这次来东京，是为解决边界争议，还是要索取领土呢？”
肖禧毫无思想准备，故作镇静道：“大辽只要求按原协议重定边界，对宋朝绝无索要领土的要求。”
沈括从袖中取出地图，说：“既然阁下声称并无索要领土的要求，那就好谈了。此图乃御笔绘制，请阁下过目。”
肖禧察看地图，只见山川河流无不详细，一时无盲答对，只好委婉地说：“既然如此，我只好及早回国向大辽皇帝报告。”
肖禧走后，大家沉浸在喜悦之中。沈括却非常忧虑，他知道辽使虽然离去，边界争议并未解决。目前辽国大军压境，如不急速赴辽，面见辽帝，将此事圆满解决，辽方随时都可能挥师南下。他遂将自己的想法面呈神宗，神宗深表赞同，并派沈括出使辽国。
谈判会场设在一个宽敞的帐篷内。辽方代表是杨益戒宰相，是辽国手握实权的人物。他开门见山地说：“辽、宋地界需要重新划定，我们大辽多次派使臣赴宋，久未见答复。此次贵使前来，希望及早商定，免得又动干戈！”
沈括从容答道：“宋、辽地界早有定议，但是贵国所提黄克山为分水岭问题，文书上并没有记载，敝国不敢从命。我携带文书在此，请阁下过目。”随从人员将两国签定的文书，摆到谈判桌上，文书中明文记载：“黄克山以大山脚下为界。”
杨益戒无言以对，最后用威胁的口吻说：“贵国连数十里之地都不忍割让，难道要断绝两国友好关系吗？”
沈括答道：“此言差矣，若北朝弃先君之大信，以威用其民，那可并非仅是对我朝不利啊。”
杨益戒见沈括态度强硬，言词锋利，只好宣布休会。
在第二次谈判中，杨益戒见逼索土地不成，便放弃黄克山地界之事，又提出天池子之归属伺题。天池子属于宋国的领地，这在宋、辽签定的协议中早已确定，但协定允许一部分辽民在天池子牧马。
沈括说：“天池子乃宋国疆土，岂能更改！”
杨益戒说：“辽民在此牧马，极易引起冲突，有损两国关系，请阁下三思。”
沈括说：“天池子归属两国乃先帝所定，本朝无权更改。至于武装冲突，本朝容忍是有限的，也请贵国三思。”
双方共进行了六次会议，沈括有问必答，言词犀利。杨益戒未料到宋朝竟有这样杰出的使臣，又听说宋朝正在边界集结军队做应战的准备，只好放弃逼索土地的要求，维持原协议所确定的边界，草草结束谈判。
沈括胜利完成赴辽使命，返回汴梁。神宗为嘉奖沈括的功绩，任命他为翰林学士。