Đóng góp lớn nhất trong lĩnh vực sử học của Tư Mã Quang là bộ sách sử Tư trị thông giám. Thời đó, ông thấy không có một bộ thông sử hoàn chỉnh dễ đọc nào khiến cho người đọc cảm thấy khó nắm bắt các kiến thức. Mặt khác, ông mong muốn vua Tống nghiên cứu bộ sách để tu chỉnh bản thân, rút ra những bài học xương máu từ sự thịnh suy của các triều đại trước để giữ vừng cơ nghiệp nhà Tống[6].

Năm 1064, ông dâng lên Tống Anh Tông bộ sách năm tập Biểu biên niên, tóm tắt các sự kiện lịch sử Trung Quốc từ năm 403 TCN tới năm 959, đây có thể được coi là lần giới thiệu đầu tiên của cuốn sách và thỉnh cầu được bảo trợ thực hiện công trình. Năm khởi đầu của bộ sách được lựa chọn là năm vị vua nhà Đông Chu công nhận việc phân chia nước Tấn[7] thời Chiến Quốc giữa ba họ lớn là Hàn, Triệu, Ngụy trong nước này, một sự thừa nhận những kẻ chiếm đoạt đánh dấu sự khởi đầu của những cuộc chiến kinh hoàng và mang ý nghĩa quyết định dẫn tới sự chấm dứt nhà Đông Chu và sự thành lập một kiểu đế chế mới Nhà Tần.

Năm 1066, ông dâng một bản khác đầy đủ và nhiều chi tiết hơn Thông chí, gồm tám tập chép lại theo lối sử biên niên giai đoạn từ năm 403 TCN tới năm 207 TCN, và lần này nhà vua đã ra chỉ dụ cho phép ông tiếp tục công việc. Ông được quyền sử dụng thư viện hoàng gia, và triều đình cung cấp mọi chi phí giấy, bút và các vật dụng khác liên quan. Ông cũng được cấp tiền trả cho những phụ tá giúp công việc tìm kiếm tài liệu, gồm cả những nhà sử học giàu kinh nghiệm như Lưu Ban, Lưu Thứ và Phạm Tổ Vũ.

Đầu năm sau, 1067, Anh Tông qua đời, vào tháng 11, ông trình bày trước triều đình và hoàng đế mới Tống Thần Tông về công trình đang tiến hành của mình. Hoàng đế không chỉ xác nhận sự quan tâm tới bộ sử đó mà còn đề xuất đổi tên cuốn sách từ Thông chí thành một cái tên ấn tượng và trang trọng hơn Tư trị thông giám và giao cho ông tiếp tục soạn sách.

Tư trị thông giám không chỉ đề cập các sự kiện lịch sử mà còn có những bình luận, kiến giải về các sự kiện đó. Tư Mã Quang viết Tư trị thông giám nhằm đích củng cố sự thống trị của nhà Tống nên nội dung và hình thức công trình sử học này mang màu sắc chính trị rõ nét[8]. Căn cứ vào đức độ và tài năng của các bậc vua chúa, Tư Mã Quang chia thành năm loại: sáng nghiệp, thủ thành, lăng di, trung hưng và loạn vong. Những vua sáng nghiệp được đề cao như Hán Cao Tổ, Hán Quang Vũ Đế, Tùy Văn Đế, Đường Thái Tông… Những ông vua thủ thành (giữ được sự thịnh trị) như Hán Văn Đế, Hán Cảnh Đế… cũng được khen ngợi. Loại vua kém nhất là loại "loạn vong" (cai trị kém làm mất nước) như Trần Hậu Chủ, Tùy Dạng Đế…

Được Tống Thần Tông ủng hộ, cùng với những tài liệu mà ông sưu tầm, ông có tổng cộng gần 4 vạn đầu sách tham khảo để viết Tư trị thông giám[9]. Cuốn sách được hoàn thành vào năm 1084 sau 19 năm. Tựa đề Thông giám ở đây có thể được hiểu được hiểu là đề cập tới một tác phẩm có tính chất tham khảo và hướng dẫn; vì thế hoàng đế đã chấp nhận tác phẩm trong lĩnh vực khoa học lịch sử và những ứng dụng của nó trong công việc triều đình, và trong nhiều thập kỷ cai trị của mình vị hoàng đế luôn để tâm tới công trình đó.

Sau 19 năm miệt mài nghiên cứu, có thể nói là Tư Mã Quang đã dốc tận tâm lực cho bộ sách. Cuối năm 1084, dù trời mùa đông đầy tuyết, Tư Mã Quang vẫn đóng sách vào 10 chiếc hòm được trang trí chạm trổ lộng lẫy và thân chinh áp tải từ Lạc Dương đến Biện Kinh[10] dâng lên Tống Thần Tông. Khi Tư trị thông giám được mang in ấn nhân bản chưa đầy 1 tháng (1086) thì Tư Mã Quang cũng qua đời vì lao lực

Tư trị thông giám có ảnh hưởng sâu rộng đến lịch sử sử học Trung Quốc, thành công được đánh giá ngang với Sử ký Tư Mã Thiên[11]. Nhà sử học đời nhà Thanh là Vương Minh Thịnh đã đánh giá đây là một cuốn sách "không thể thiếu được trong trời đất, tất cả các học giả đều không thể không đọc"