王沈字处道，太原晋陽人。祖父王柔是汉时匈奴中郎将，父亲王机是魏东郡太守。王沈少年失去父母，为叔父司空王昶所收养，侍奉叔父和父亲一样，尽心侍奉继母与寡嫂，以孝义著称。好读书，善写文章。大将军曹爽征召为掾属。多次迁升至中书门下侍郎。曹爽被杀，因为王沈是曹爽的故吏，被免职。后来又被起用治书侍御史，转为秘书监。魏正元年间(254～256)，迁为散骑常侍、侍中，掌管著作。与荀岂页、阮籍共同编撰《魏书》，多为当权者隐讳，不若陈寿著《三国志》那样直写实录。f当时魏高贵乡公好学有文才，多次请王沈及裴秀到东堂一起讲解谈论学问，切磋文章，把王沈叫文籍先生，把裴秀叫儒林文人。高贵乡公将要攻击文帝司马昭，把王沈、王业召来，把计划告诉他们。王沈、王业驰马将消息告诉文帝，王沈因此立功，被封为安平侯，食邑二千户。王沈不忠于魏主，很为舆论所指责。
不久迁为尚书，出监豫州诸军事、奋武将军、豫州刺史。到镇之后，即下教民之令说：“自古圣贤乐闻谤议之言，倾听下人舆论，因为割草打柴之人，其言有可录用者，负薪之人也可谈出治国之道。到镇之后，未听到逆耳之言，可能是我未说明虚心接受意见的诚意，故使欲言者心存疑虑。现宣布：下属城府官吏及士人庶民，若能从乡野平民中推荐出贤达之士，从州国各地揭露斥逐奸佞之人，陈述长吏的优劣，诉说百姓的疾苦，兴利除害，改进政治举措，效果明显者，赏谷五百斛。若其言在某一方面深有至理，能直指刺史得失，朝政宽猛，使为政刚柔得宜者，赏谷千斛。如谓言而不信，可对皎日发誓。”
主簿陈广钦、褚磓提出异议说：“拜读教令，为之感叹。刺史谨慎谦恭，朝夕不暇，思闻逆耳之言，我们认为上有所好，下无不应。目前左右无极谏之辞，远人无规戒之言，实是为政得失尚未显示。今颁发教令，以示奖赏，恐怕拘谨正直之士怕受赏而不愿言；贪财之人为求利而妄举。如进言不当，当然不能乱赏，则未明真情者不知进言之当否，只见有言而不用，会认为是赏虚设而不行，我以为下达教令的事可缓一步。”
王沈又告诫说：“德薄而位高，功轻而禄重，这是贪夫所追求的，也是君子所不愿接受的。若向刺史陈至理之言，为本州兴利除害，使被幽蔽的贤人得以显扬，像祝鱼它那样的奸佞之人得以罢黜，立德于民，受应得之赏，这是君子应有之节操，怎么会有话不说呢！能直言至理，这是忠；恩惠施于一州百姓，这是仁；功成而辞赏，这是廉。兼有此三者的行为，是明智的，为何胸怀治国大道而使邦国迷乱呢！”褚磓又申辩说：“尧、舜、周公所以能得到忠谏，是因为他们坦诚之心尽人皆知。冰与炭火不会说话，人们都知道冰冷炭热，因为它们有冷热的本质在。为政者如喜好忠言直谏，像冰炭那样质直自然，则忠直之臣会济济盈庭，逆耳之言会不求自至。如德不足以比尧舜，明不足以比周公，质不同于冰炭，虽悬重赏，也不能得到忠谏之言。昔魏绛有通好戎狄之功，受晋君赏赐的女乐；管仲有使齐称霸之勋，桓公待之以上卿之礼，功勋显著，然后随之以赏赐。未闻有设重赏以待谏臣，悬谷帛以求尽言的道理。”王沈无法驳倒褚磓的观点，也就听从了褚磓的意见。
王沈探讨善政，整理贾逵以来的法制禁令及各种举措，择其善者而施行。又告诫官民说：“不使年轻人学习先王之教，而期政治教化日益兴隆，是不可能的。文武并用，是治国安邦的长久之道。当今风俗教化衰败，不能不革除其弊端。改革时俗的关键，在于兴办学校鼓励学习。昔日原伯鲁不喜学习，闵马父预知他必然灭亡。将吏子弟养尊处优，若不接受教育，必然终日游玩嬉戏，毁伤风俗。”于是九郡之士都乐于道德教化，风俗为之改变。
后迁为征虏将军、持节、都督江北诸军事。魏建立五等爵位后，封博陵侯，位置相当二等封国。平蜀战役时，吴人大举出兵，张声势以援蜀，边境为之震动。王沈镇守调遣有方，吴人知其有备而退却。转为镇南将军。晋武帝即王位，拜为御史大夫，兼尚书令，加给事中。王沈因有才有望，显名当世，因而晋朝创业的大事，羊祜、荀勖、裴秀、贾充等人都与王沈谋划商量。
武帝受禅让即帝位，王沈因有开国之勋，转为骠骑将军、录尚书事、加散骑常侍，统领城外诸军事。封博陵郡公，坚决辞让不受，改封为县公。食邑一千八百户。武帝打算把朝政托付给他，泰始二年(266)死。武帝穿孝服哀悼，赐棺木朝服一套、衣一套、钱三十万、布百匹、葬田一顷，谥号为元。第二年，武帝追思王沈的功勋，下诏说：“表扬过去的行为，是为了崇尚贤者，为后人树立榜样，慎重对待死者而不忘前人之功，则会民德淳厚教化兴隆，已故散骑常侍、骠骑将军、博陵元公王沈，行循礼而居身正，心思清廉而纯粹，胸怀经纶典籍，才识博通。入居侍中纳言之位，出掌监牧方岳之任，献谋略于朝廷，宣德威于州郡。立国后设官爵，首登公辅之位，统领朝中大事，出负朝廷使命，有护卫辅佐国家之大功。现赠王沈为司空公，以推崇平生，使身没而名不朽。又生前因辅助之功，当受郡公之封，恳切辞让，嘉奖其辞让之德，不改其志，可以郡公官品送葬。王沈平素清俭，不营产业。可使所领士兵作屋五间。”子王浚嗣爵，后王沈夫人荀氏死，准备合葬，见王沈棺木已腐朽，又赐棺木一副。咸宁年间(275～280)，又追封王沈为郡公。