天文学
宋代天文学的成就是多方面的。在天文观测和记录方面，恒星位置测量是一项基础性工作，但既耗费时间，又要有相应的浑仪才能完成，因此一个朝代很少多次测量，即便是盛唐时代也只进行过一次。
在这其中，精确度最高的要数崇宁年间姚舜辅等人所进行的第五次观测，所测得的二十八宿距度误差绝对值平均只有0.15度，在当时的条件下是一个十分了不起的成就，根据这次观测的数据编成的历法《纪元历》也成为一部优秀的历法。对于新星、超新星、日食、月食等天文现象的观察，宋人也留下了丰富的天象资料。有关仁宗至和元年的天关客星超新星爆发，宋人留下了详细的记录，这一年农历五月，客星出现在东方天空天关星附近，大约数寸，“昼见如太白，芒角四出，色赤白”，过了一年左右，光芒才稍稍收敛，两年以后才最终变暗。现在的金牛座蟹状星云就是这次爆发的遗迹，其里面是呈蓝色光辉的弥漫星云，外面交织着一些红色的纤维。
这次记录为现代天文学研究提供了宝贵资料，有助于有关蟹状星云及与之相关的中子星等天体演化理论问题的探索，至今仍为世界天文学家所注意。南宋绍熙元年，黄裳根据神宗元丰年间的第四次观测结果绘成星图，并于淳祐七年由王致远刻于石上，这就是举世闻名的“宋淳祐天文图”，也称苏州石刻天文图。苏州石刻天文图是世界现存年代最早、存星最多的石刻天文图，体现了古代中国最先进的天文学成就和天文学体系特征，现保存在苏州石刻博物馆。
宋代是我国古代天文仪器制造的高峰，传统的天文仪器如漏壶、圭表、浑仪、浑象等，都取得了新的发展，在技术上实现了巨大的改进和突破。浑仪是中国古代较具代表性的天文仪器，英国科学史专家李约瑟博士尤为推崇宋代浑仪，认为它们代表了极高的技术水平。仪器高约十二米，宽约七米，相当于今天一座三层楼的规模，共分三层：底层是木阁，安放有动力装置和报时钟；中层密室内旋转着浑象，运行速度和天体运动一致，球面上星座位置能和浑仪观察到的天象吻合；最上层是屋顶可以启闭的观测室，安放有铜浑仪，专门用来观察。这是11世纪世界上水平最高的天文仪器，其中有齿轮系统和擒纵器，它以水为动力，能用多种形式反映及观测天体的运行，是近世天文馆假象的雏形。除能演示、观测天象外，它还能计时、报时，是世界上最早的天文钟，其齿轮转运和机械原理，可以说是欧洲中世纪天文钟的先驱。
两宋时期历法的修订十分频繁，自宋太祖建隆四年王处讷主持修订《应天历》开始，到南宋度宗咸淳六年陈鼎负责修订《成天历》止，共修订历法十七次。徽宗崇宁五年颁用了姚舜辅制的《纪元历》，该历所用的回归年长、朔望月长的数据精密，太阳在黄道上的位置因采用新方法而定得更准，一直沿用到南宋初期。宁宗庆元五年，开始行用杨忠辅修订的《统天历》，以.日为一回归年，与现行公历采用数据一致，但比现行公历要早三百八十多年。《统天历》还在实际上废除了计算烦琐而无实用价值的上元纪年，并提出回归年的长短存在着长期变化，反映出宋代历法的进步。
数学
贾宪在高次方程数值解法上有卓越贡献，他发展了“增乘开方法”，比欧洲早八百年，创立了开方做法本源，解决了一般的开高次方问题，推动了高次方程数值解法在中国的发展。南宋时杰出的数学家有秦九韶、杨辉，他们代表了当时数学发展的水平。两宋时期中国传统数学的发展达到了很高的水平，涌现出贾宪、沈括、秦九韶、杨辉等数学家，他们的研究成果代表了当时数学的最高成就，在世界数学发展史中也占有重要地位。
医学
中国古代医药学在宋代进入一个全面发展的阶段。宋政府设立翰林医官院，改进医官制度；设立太医局和“医学”，发展医学教育；设立校正医书局，整理、刊印医药著作；等等。这些都对医药学的发展产生推动作用。北宋建国后，整理编纂了许多医药学著作，对前人的经验进行总结。太宗淳化三年，校订印刷了《补注神农本草》《神农本草》《脉经》《黄帝内经》《素问》《伤寒论》《金匮要略》《千金方》《千金翼方》《广济方》等医学名著，在古代医书的整理方面取得了突出的成就。宋政府还编辑了《太平圣惠方》《太平惠民和剂局方》《圣济总录》等，刻印发行。
《太平圣惠方》共一百卷，集成方一万六千八百三十四个；《圣济总录》共两百卷，收集了诊病、处方、审脉、用药、针灸等各种医方，是医学上的一部百科全书。开宝至绍兴年间，宋政府编辑了《开宝本草》《嘉祐本草》《政和本草》《绍兴本草》四部重要的国家药典，对药物学进行了集中的整理，使医家有法可依，也促进了中国本草学的进步。民间也有许多医家著书立说，如四川成都医生唐慎微在北宋中后期编修成《证类本草》三十二卷，收录药物一千五百五十八种，绘药图二百九十四幅。唐慎微在书中将药物分为十三类，分别叙述其药性、别名、辨析、主治、产地、采集、炮炙加工等内容，并在其后附加单方三千余条，将药物与医方结合起来，以方证药，使本草学面貌一新。《证类本草》引用了大量前代文献资料，不仅全面继承了前代本草的优点，而且有所创新，从而将宋代本草整理研究推向了新的高峰。该书后来屡次被官府修订再版，在明代李时珍的《本草纲目》问世前的几百年中，一直是中国本草学的范本。
其中尤以妇产科和儿科最为发达，针灸术也有新的进展。南宋理宗嘉熙元年，陈自明撰《妇人大全良方》，对宋及以前的妇产科成就及自家经验进行了全面总结，是现存最早的系统的妇产科专著，长期为后世医家遵用。全书分为妇科三门、产科五门，详细论述了妇产科的生理、病理、症状及诊疗方法。由于陈自明对妇产科的钻研，中医妇产科此后逐渐成为一门独立的学科，为以后妇产科的发展奠定了良好的基础。宋代出现了很多著名的儿科医生和专著，在理论和临床实践方面都取得了突出成就。钱乙撰《小儿药证直诀》，对儿童各种常见疾病的病理特点和辨析治疗进行了论述，该书是现存第一部内容丰富的儿科专著，堪称中医儿科的奠基之作。
书中记载的治疗小儿心热的“导赤散”，治疗脾胃虚弱、消化不良的“异功散”，治疗肾虚的“六味地黄丸”等许多方剂，至今仍在临床使用。在针灸科方面，王惟一取得的成就最高。天圣四年，王惟一通过对古代诸家针灸理论的深入研究，并结合临床经验，编撰针灸图三卷，绘制了人体正面、侧面图，标明了人体各个穴位的精确位置。此后，为了能够更加直观地对其针灸学加以说明，王惟一又设计、监制了两具人体模型，称为“铜人”，并据此把其著作定名为《铜人腧穴针灸图经》。这种先进的教具大大方便了针灸教学，对针灸学的发展起到了重大的促进作用。
法医学是为侦查、审判案件提供依据，利用医学及相关自然科学方法，研究法律案件中与医学有关的实际问题的应用学科。宋朝政府在案件的审理过程中非常重视证据，制定了极完备的检验规定，对检验的各个程序都有细致的说明，其内容包括检验尸体、检查现场、各种死伤的鉴别、死亡原因的鉴定及自杀或谋杀的判别等，涉及解剖、生理、病理、药理、毒理内科、外科、妇科、儿科、检验学等广泛的医学知识。书中对自杀与他杀的区别倍加注意，如对于自缢与勒死的区分：自缢的特点是索沟“不周颈”，也就是说绳索留下的印痕在颈后不相交，同时可见被害人口唇变黑，面色赤紫，脚尖下垂，两腿、小腹有尸斑等；而勒死者索沟相交或平过颈部，并可见头发散乱、抓痕等生前挣扎的迹象。书中指出窒息而死者颅骨及牙齿呈赤色，这是一项重要发现。
现代医学认为牙齿赤色是由牙髓出血所致，称为窒息性玫瑰齿。又如对溺死与推尸入水的区分，指出溺死者手脚指甲缝隙中有泥沙，口鼻内有泥水沫，腹内有水，而推尸入水则没有这些迹象。《洗冤集录》在对骨骼损伤的检验方面也取得了突出的成就。本书详细叙述了两种污骨的清洗检验方法—一蒸骨法与煮骨法，并提出将伤骨对着阳光察看，如果伤处颜色红活，说明骨质有渗血，是生前所伤，否则即使有损伤也是死后所致。书中还记载了红油雨伞遮光验骨法：在阳光充足处，用红油雨伞遮住光线，将伤痕不显的尸骨置于伞下观察，如果骨上有被打处，则可见到细微的红色阴影。这是因为阳光透射红油雨伞可以产生红外线，在红外线下检验骨伤，较容易发现伤痕，这是一种非常科学的方法，也是宋代的一大发明。