这次修史的资料十分丰富。首先可以借阅龙图阁、天章阁、三馆、秘阁的图书。这些国家的藏书不仅丰富，而且珍贵。其中藏书最多的还是书局所在的崇文院。书局在崇文办公近5年，为长编的修撰已汇集了大量的资料。书局后来虽然随司马光迁至洛阳，但图书资料仍不成问题。因为司马光及其助手也都有大量私人藏书。神宗曾将他颖王私邸藏书2400余卷，赏赐给司马光，再加上司马光自己原有的藏书，有人说他读书堂有“文史万余卷”，而他自己说他读书堂聚书5千卷。刘恕虽家道贫穷，但藏书甚富，否则晁说之也不会特意为他撰写一篇《刘氏藏书记》专文了。丰富的图书资料，为修史奠定了坚实的基础。
在司马光的领导下，会同刘恕、刘攽反复讨论修史的编次，在这个基础上，司马光制定了编写义例、写作步骤及方法。当他出知永兴军后，为了指导刚入局三个月的范祖禹，他写了《答范梦得》书，详细地讲述了这些修史的原则及方法。其修史具体步骤如下：
第一步作丛目。所谓丛目就是按时间顺序编纂的资料事目索引。司马光要求范祖禹作丛目，是以唐《实录》为底本编出事目，然后把新、旧《唐书》的纪、志、传及《统纪》补录，再把诸家传记、小说以及文集中的有关史料，按年、月、日注入“事目”之下。所录注不是史料原文，只要标出史料篇卷出处。司马光强调：一、《实录》中没有的事目，必须按时间顺序予以增补。二、对时间不清楚的史料，无日者附于其月之下，无月者附于其年之下，无年者附于其事之首尾。有无事可附者，则约其时之早晚，附于一年之下。三、史料“过多无害”，只要与其事稍有关联，都要注入。四、与自己所修唐史无关的史料，另纸抄出，转给有关者。
第二步修长编。长编就是草稿。它是按照丛目中所列事目附注，翻检出全部的资料加以编写的。作长编总的原则是“宁失于繁，勿失于略”。编写时不是简单的史料罗列抄录，而是要对资料进行初步分析鉴别，考证异同，除伪存真。有“事同而文异者”，则先取一记事详备明白的录入；如彼此互有详略，则兼采之，只是要作综合整理，文字加工；如果彼此年月、事迹有相违戾不同者，则选择一证据分明，情理近于得实者录入正文，其他注于其下，并且要说明取舍的原因；如果难以考订其虚实者，可以两存其说。纪年时，一年遇有两个年号，则用后一个。初入长编的历史人物，于名下注明其籍贯；其父、祖前文有录者，则注明“某人之子或某人之孙”，以明世系。
丛目与长编是由同修完成。司马光之所以特意写信给范祖禹，是因为二刘对此早已熟悉了。
修史的第三步是删削定稿。这任务是由司马光一人完成，是总其成勒定成书最重要的阶段。
自书局成立到司马光退居洛阳时，有近5年的时间。在这修史的初期阶段，修成了《前汉纪》30卷，《后汉纪》30卷，《魏纪》10卷。进度不算快。
司马光迁洛阳后，第二年书局也迁来。随书局来的同修只有范祖禹一人。熙宁六年（1073年），司马光在尊贤坊北买了20亩田地，辟为住宅园林，取名“独乐院”。园中有读书堂、弄水轩、钓鱼庵、浇花亭、见山台等亭台堂轩，颇富山水之胜、园林之美。司马光在这里，一方面过着无羁绊的逍遥生活，一方面进行着艰苦的修史工作。虽目曰“独乐”，实际上他的朋友还真不少，常往来聚会，饮酒赋诗。但更多的时间是“朝朝常闭门”，独处书房，奋笔疾书，过着“故人通贵绝相过，门外真堪置雀罗”（《传家集·独乐园二首》）的寂静生活。
司马光在洛阳近15年，主要工作是把助手所修长编，加以删削定稿。这绝非是轻而易举的事。首先是数量庞大。比如唐史长编多达六七百卷，他从熙宁九年（1076年）至元丰四年（1081年）用了5年的时间，删成81卷，删去了十分之八九，只保留其精华部分。其次，删削不是简单的文字去留，而是一个去粗取精、除伪存真的过程。要把有牴牾的资料理顺，要对异文进行选择、考订。这样的工作往往不是一遍就可以完成的，要经过“粗成编，又须细删”的反复进行。第三要把网罗的资料中的不同史学家、文人的不同观点统一起来，形成为一家之言。第四要把不同长编的风格各异的文字，熔铸为一体，对粗糙的语句，要加以锤炼和润色，使之如出一人之手等等。这些工作都要付出巨大的劳动。
司马光为自己制定删削的功课，限期完成。他把长编每4丈定为一卷，每三日要删一卷，如果有事耽误了，则要追补。常常早起晚睡，废寝忘食。《宋人轶事汇编》卷十一有马永卿这样的记载：
园圃在宅之东，温公即宿于阁下东畔小阁。侍史唯一老仆，一更二点即令老仆先睡，著书至深夜，乃自罨火灭烛而睡。至五更初，公即起，发烛点灯著述，夜夜如此。天明即入宅起居其兄，话毕，即回阁下。
一个年近花甲的老人，天天深夜才睡，五更即起，呕心沥血，是何等的艰辛！
只有在异常疲劳的时候，司马光才不得不停下笔来，到园中休息调节一下。他在《独乐园记》中写道：
志倦体疲，则投竿取鱼，执衽采药，决渠灌花，操斧剖竹，灌热盥手，临高纵目，逍遥徜徉，惟意所适。
这样，可以使紧张的神经得以松弛，疲劳的身子稍为恢复。有时候也和朋友们聚会，玩得高兴也会耽误一些时间，在老仆的提醒下，他又严格地约束自己，更抓紧时间，争分夺秒，以为弥补。
刘恕离开书局，到南康军任职时，同样也是刻苦继续修史。他还和司马光经常书信来往，共同商讨疑难问题。熙宁九年（1076年）春夏之际，刘恕奏请朝廷允准，兼程数千里来到洛阳，再次与司马光面对面的商讨修史中的诸多疑难的问题。到10月份刘恕离开洛阳南归。清贫与劳累夺去了他的健康，这时他已身患疾病，临别时他沉痛地对司马光说，此次一别，恐再难以相见了。在中途，他获悉母亲病故的噩耗，极度的悲哀、忧郁，竟得了偏瘫病。但即使在病中，他仍修史不辍，直至离开人世。生前他家境贫寒，死后更加萧条。在《通鉴》修成之后，司马光不忘他的功绩，特向朝廷上书，请求给刘恕的儿子补一个官职，其子刘羲仲被任命为郊社斋郎。
但是，社会上一些人对史学家的刻苦精神与所耗费的精力，并不理解，经常散布一些流言。司马光到洛阳的头5年，删定史稿106卷，这仅是全书的一部分，它们只是晋、南朝和隋的部分，越往后时代越近，史实越复杂，典籍也繁多，整理、研究、考订所需要下的工夫也越多，进度自然就更慢了。可是有人却说什么书之所以久修不成，是因为司马光等人贪图朝廷发给的笔墨、绢帛及赏赐的金钱、果品，所以故意拖延时间。司马光平日十分重视名节，听到这些议论后，更加“严课程、省人事，促修成书”，“日力不足，继之以夜”，更加紧张的废寝忘食的工作。
经过艰苦卓绝的劳动，到元丰七年（1084年），一部编年体通史《资治通鉴》终于完成了。全书共294卷，记事上起周威烈王二十三年，下止后周显德六年，共是1362年的史实。同时把考证的资料，编成《通鉴考异》30卷；把正文中每年的重大事件标目列举，编成《通鉴目录》30卷。三部分共354卷，于十一月进呈神宗。这部书如果从嘉祐年间编《历年图》算起，花费20余年，从书局起立算也有19年，所以范祖禹在诗中写道：“网罗遗佚三千载，采撷精华十九春。”（《和张芸叟左司被赐〈资治通鉴力〉》）元祐元年（1086年），全书在杭州雕版印成，遍赐宰执。
司马光修史的宏愿终于完成了，书成之后他已经累得筋疲力尽。他在《进〈资治通鉴〉表》中讲自己已是“骸骨癯瘁，目视昏近，齿牙无几，神识衰耗，目前所为，旋踵遗忘，臣之精力，尽于此书”，确是实情。
《资治通鉴》是我国古代第一部编年体通史。“网罗宏富，体大思精”（《四库总目提要》），是它最大的特色。所搜集资料是十分丰富，“遍阅旧史，旁采小说，简牍盈积，浩如渊海”（《进＜资治通鉴＞表》）。所引史料的具体数字，难以准确的统计。高似孙的《纬略》记载，除引正史以外，采杂史诸书322种。（见《四库总目提要》）近人张煦侯据《通鉴》及《通鉴考异》中所引书目统计，所采正史、编年（含谱录）、别史、杂史、霸史、传记（含碑碣）、奏议（含别集）、地理、小说、诸子10类共301种。但这些书目都是因有歧义考据时才著录；所用考据的资料，则不列出处，说明这个数字也是最低限度的数量。从上述统计所见《通鉴》不仅资料网罗得多，而且涉及的面广。当时正史已有十七史，可司马光说：“其实录正史，未必皆可据，杂史、小说，未必皆无凭。”（《传家集·答范梦得》）打破了过去只取材认为正史为可靠的偏见，而是多方采撷。
胡三省说：“温公作《通监》，不特纪治乱之迹，至于礼乐历数，天文地理，尤致其详。读《通鉴》如饮河之鼠，各充其量而已。”不过作为以“资治”为目的《通鉴》，主要是一部政治史，其中政治、军事方面的内容为绝大部分，而经济方面的内容较少，至于文化方面的内容则更简略，甚至连大诗人屈原、陶渊明等人的名言都未提及。当然，这也正是《通鉴》的优点，那就是史书的主旨鲜明。正如《进〈资治通鉴〉表》中所说：“专取关国家兴衰，系生民休戚，善可为法，恶可为戒者”，使最高统治者省览后，能“鉴前世之兴衰，考当今之得失，嘉善矜恶，取是舍非，足以懋稽古之盛德，脐无前之至治”。与“资治”关系不甚直接者，一律不取。其重点十分突出，体现了他的“思精”。首先司马光对历代帝王的统治术，历代重大的政治事件，重要政治人物的言行，都做详细的记载。其次，“战争是政治的继续”，所以他对战争的描述，也是具体而详尽的。这些战争包括统治阶级内部争霸的倾轧，人民的起义与统治者的镇压，以及民族之间的战争。它们为中国古代军事史的研究，提供了宝贵丰富的资料。再次，为了保史书的主旨，司马光规定了“不语鬼怪”的原则，如占卜、图谶、符瑞、灾异等，都拒而不用；而且对释、道也采取否定的态度。不过也并非完全彻底，偶尔也有少数有关这方面的记载，有的是失于删削，有的则是因为能对统治者“有所儆戒”而故意保留，反映了他的阶级局限性。
据事直书，史料信实，是《通鉴》的另一大特色。在讲述历代治乱兴衰的史实，无论是正面的，还是反面的，都尽力按照事物的本来面貌真实的记录。因为只有这样才能真正起到鉴戒的作用。司马光十分重视人君的作用，他认为“国之治乱，尽在人君”。故而《通鉴》写帝王的事迹非常多。既有前代的“好皇帝”，如汉之文、景，唐之太宗等，描述他们修身、齐家，平天下的政绩，以树立统治者学习的榜样。更多的是记载那些因昏庸腐败、淫逸侈靡、贪婪残暴、肆意聚敛而遭国破身亡，百姓遭殃恶果的帝王，给后来的统治者敲起警钟，引以为戒。如南朝刘宋武帝，《宋书》对其罪行或避而不写，或轻描淡写，而《通鉴》对他的奢欲无度、荒淫无耻、狎侮群臣，嗜酒成性等种种劣迹，一一揭露。其还有如晋之惠帝，隋之炀帝，敢于揭露其阴暗面，客观上暴露了当时的社会本质。
《通鉴》里记载了不少农民战争，如陈胜吴广起义、黄巾起义、南北朝北方大起义、隋末农民大起义、黄巢起义等，都写得很详细。尽管由于阶级的局限性，称呼他们为“贼”、“寇”，但讲到起义的原因时，皆能够如实的记述。如陈胜、吴广是“因天下之愁怨，乃杀将尉，”揭竿而起，“当是时，诸郡县苦秦法，争杀长吏以应涉”。写到黄巾起义的原因，借郎中张钧的话：“其源皆由十常侍多放父兄、子弟、婚亲、宾客典据州郡，辜榷财利，侵掠百姓，百姓之冤，无所告诉，故谋议不轨，聚为盗贼。”这些皆尊重于史实，对生活在水深火热中的农民有所同情。再如对黄巢起义写得详细生动，超出以往的史书。写起义军进入洛阳时，“闾里宴然”；进入长安时，“民夹道聚观”，说明起义军的纪律井然，受到百姓的欢迎。写起义将领尚让晓谕百姓说：“黄王起兵，本为百姓，非如李氏不爱汝曹，汝曹但安居无恐。”作为一个统治阶级成员的史学家，能如此点明起义军与统治阶级之不同，确实难能可贵。当然，这也只是尊重史实，提醒统治阶级引以为戒，而并非站在起义军的立场上。
对史料的考异，更增加了史实的信实。司马光“抉擿幽隐，校计毫厘”，其方法有6类：参取众书而从长者，两存者，两弃者，两疑而节其要者，存疑者，兼存或说于《考异》者。（张煦侯：《通鉴学》）这种严肃认真、实事求是的修史态度及考异的方法，都给后世修史者以巨大的影响。
良好的编撰方法，是《通鉴》又一特色。首先是有分编丛目、长编到删削定稿，能够保证史书质量的几个步骤。在对史料的处理上，丛目、长编与定稿不一样，前两者是“过多无害”和“宁繁勿略”，而定稿却是“删削冗长，举撮机要”。且前两者的繁多，又是后者能够择其精华的基础，它们相辅而成。其次，对史实的编次是“先后有伦，精粗不杂”，使纷坛复杂的史实“叙之井井，不漏不烦”。（《进资治通鉴表》）第三，记载历史详今略远。战国至三国，共646年，修成78卷；晋至隋，共353年，修成106卷，唐、五代是343年的历史，却修成110卷。时代愈近，史实年代愈短，而修成的卷数越多，足见其“厚今薄古”。第四，关于纪年，《通鉴》也有优点。在诸国并列的分裂时期，司马光采用一个国家的年号记事，即是“借其年以纪事，非有所取舍抑扬也”。这样就抛开了关于正统与闰位之间无意义的争执。他在《通鉴》黄初二年的一篇史论中说：
天下离析之际，不可无岁、时、月、日以识事之先后。据汉传于魏而晋受之，晋传于宋以至于陈而隋取之，唐传于梁以至于周而大家承之，故不得不取魏、宋、齐、梁、陈、后梁、后唐、后晋、后汉、后周年号，以纪诸国之事，非尊此而卑彼，有正闰之辨也。
这种“借年纪事”是根据朝代接替的顺序而定的。比如三国中的魏接替了东汉，故而借魏的年号记事而不用蜀、吴，但这不是说魏是正统，而吴、蜀为闰位。这样做不仅只是一种纪年的方法，而且体现了司马光先进的历史观。当然作为纪年方法它也还是有缺点，诸国并列却只采用一国的纪年，使读者对其余各国相对应的纪年则茫茫然。《通鉴》纪年还有一个缺点，在这一年内有两个或几个年号时，它只采用最后这个年号。这个年号都是新朝代（新皇帝）的开头，而前一个朝代（皇帝）的末年都没有了，所以称之为“头齐脚不齐”，如公元200年，既是建安25年，又是黄初元年，但《通鉴》中只有后者，而无前者，容易给读者造成误解，认为建安只有24年。
