王沈字處道，太原晉陽人。祖父王柔是漢時匈奴中郎將，父親王機是魏東郡太守。王沈少年失去父母，為叔父司空王昶所收養，侍奉叔父和父親一樣，盡心侍奉繼母與寡嫂，以孝義著稱。好讀書，善寫文章。大將軍曹爽徵召為掾屬。多次遷升至中書門下侍郎。曹爽被殺，因為王沈是曹爽的故吏，被免職。後來又被起用治書侍御史，轉為秘書監。魏正元年間(254～256)，遷為散騎常侍、侍中，掌管著作。與荀豈頁、阮籍共同編撰《魏書》，多為當權者隱諱，不若陳壽著《三國誌》那樣直寫實錄。F當時魏高貴鄉公好學有文才，多次請王沈及裴秀到東堂一起講解談論學問，切磋文章，把王沈叫文籍先生，把裴秀叫儒林文人。高貴鄉公將要攻擊文帝司馬昭，把王沈、王業召來，把計劃告訴他們。王沈、王業馳馬將消息告訴文帝，王沈因此立功，被封為安平侯，食邑二千戶。王沈不忠於魏主，很為輿論所指責。
不久遷為尚書，出監豫州諸軍事、奮武將軍、豫州刺史。到鎮之後，即下教民之令說：「自古聖賢樂聞謗議之言，傾聽下人輿論，因為割草打柴之人，其言有可錄用者，負薪之人也可談出治國之道。到鎮之後，未聽到逆耳之言，可能是我未說明虛心接受意見的誠意，故使欲言者心存疑慮。現宣佈：下屬城府官吏及士人庶民，若能從鄉野平民中推薦出賢達之士，從州國各地揭露斥逐奸佞之人，陳述長吏的優劣，訴說百姓的疾苦，興利除害，改進政治舉措，效果明顯者，賞谷五百斛。若其言在某一方面深有至理，能直指刺史得失，朝政寬猛，使為政剛柔得宜者，賞谷千斛。如謂言而不信，可對皎日發誓。」
主簿陳廣欽、褚堆提出異議說：「拜讀教令，為之感歎。刺史謹慎謙恭，朝夕不暇，思聞逆耳之言，我們認為上有所好，下無不應。目前左右無極諫之辭，遠人無規戒之言，實是為政得失尚未顯示。今頒發教令，以示獎賞，恐怕拘謹正直之士怕受賞而不願言；貪財之人為求利而妄舉。如進言不當，當然不能亂賞，則未明真情者不知進言之當否，只見有言而不用，會認為是賞虛設而不行，我以為下達教令的事可緩一步。」
王沈又告誡說：「德薄而位高，功輕而祿重，這是貪夫所追求的，也是君子所不願接受的。若向刺史陳至理之言，為本州興利除害，使被幽蔽的賢人得以顯揚，像祝魚它那樣的奸佞之人得以罷黜，立德於民，受應得之賞，這是君子應有之節操，怎麼會有話不說呢！能直言至理，這是忠；恩惠施於一州百姓，這是仁；功成而辭賞，這是廉。兼有此三者的行為，是明智的，為何胸懷治國大道而使邦國迷亂呢！」褚堆又申辯說：「堯、舜、周公所以能得到忠諫，是因為他們坦誠之心盡人皆知。冰與炭火不會說話，人們都知道冰冷炭熱，因為它們有冷熱的本質在。為政者如喜好忠言直諫，像冰炭那樣質直自然，則忠直之臣會濟濟盈庭，逆耳之言會不求自至。如德不足以比堯舜，明不足以比周公，質不同於冰炭，雖懸重賞，也不能得到忠諫之言。昔魏絳有通好戎狄之功，受晉君賞賜的女樂；管仲有使齊稱霸之勳，桓公待之以上卿之禮，功勳顯著，然後隨之以賞賜。未聞有設重賞以待諫臣，懸谷帛以求盡言的道理。」王沈無法駁倒褚堆的觀點，也就聽從了褚堆的意見。
王沈探討善政，整理賈逵以來的法制禁令及各種舉措，擇其善者而施行。又告誡官民說：「不使年輕人學習先王之教，而期政治教化日益興隆，是不可能的。文武並用，是治國安邦的長久之道。當今風俗教化衰敗，不能不革除其弊端。改革時俗的關鍵，在於興辦學校鼓勵學習。昔日原伯魯不喜學習，閔馬父預知他必然滅亡。將吏子弟養尊處優，若不接受教育，必然終日遊玩嬉戲，毀傷風俗。」於是九郡之士都樂於道德教化，風俗為之改變。
後遷為征虜將軍、持節、都督江北諸軍事。魏建立五等爵位後，封博陵侯，位置相當二等封國。平蜀戰役時，吳人大舉出兵，張聲勢以援蜀，邊境為之震動。王沈鎮守調遣有方，吳人知其有備而退卻。轉為鎮南將軍。晉武帝即王位，拜為御史大夫，兼尚書令，加給事中。王沈因有才有望，顯名當世，因而晉朝創業的大事，羊祜、荀勖、裴秀、賈充等人都與王沈謀劃商量。
武帝受禪讓即帝位，王沈因有開國之勳，轉為驃騎將軍、錄尚書事、加散騎常侍，統領城外諸軍事。封博陵郡公，堅決辭讓不受，改封為縣公。食邑一千八百戶。武帝打算把朝政托付給他，泰始二年(266)死。武帝穿孝服哀悼，賜棺木朝服一套、衣一套、錢三十萬、布百匹、葬田一頃，謚號為元。第二年，武帝追思王沈的功勳，下詔說：「表揚過去的行為，是為了崇尚賢者，為後人樹立榜樣，慎重對待死者而不忘前人之功，則會民德淳厚教化興隆，已故散騎常侍、驃騎將軍、博陵元公王沈，行循禮而居身正，心思清廉而純粹，胸懷經綸典籍，才識博通。入居侍中納言之位，出掌監牧方岳之任，獻謀略於朝廷，宣德威於州郡。立國後設官爵，首登公輔之位，統領朝中大事，出負朝廷使命，有護衛輔佐國家之大功。現贈王沈為司空公，以推崇平生，使身沒而名不朽。又生前因輔助之功，當受郡公之封，懇切辭讓，嘉獎其辭讓之德，不改其志，可以郡公官品送葬。王沈平素清儉，不營產業。可使所領士兵作屋五間。」子王浚嗣爵，後王沈夫人荀氏死，準備合葬，見王沈棺木已腐朽，又賜棺木一副。咸寧年間(275～280)，又追封王沈為郡公。