1966年10月出生於南京市溧水區，沈向洋13歲從江蘇省溧水高級中學畢業，進入南京工學院（現東南大學）學習。隨後獲得香港大學電機電子工程系碩士學位。
1991年沈向洋進入全美計算機專業排名第壹的卡內基梅隆大學計算機學院，成為圖靈獎獲得者、著名計算機專家拉吉·瑞迪(Raj Reddy)教授的學生（拉吉·瑞迪與愛德華·費根鮑姆因為在人工智能方面的貢獻而分享了1994年的圖靈獎）。1996年，獲得卡內基-梅隆大學計算機學院機器人專業博士學位。
1994和1995年暑期，沈向洋曾在美國DEC公司劍橋實驗室及蘋果公司交互媒體實驗室實習，並在完成博士論文後，加盟位於矽谷的“真實空間”（RealSpace）創業公司。
1996年，作為研究員加入位於美國華盛頓州雷德蒙德（Redmond，Washington）的微軟研究院。
1999年，回到北京參與創立微軟中國研究院（後更名為微軟亞洲研究院），並擔任微軟亞洲研究院計算組主任研究員，高級研究員。
2004年，升任第三任微軟亞洲研究院院長，兼首席科學家。在他的帶領下，微軟亞洲研究院在計算機視覺、圖形學、人機交互和統計學習等方向的研究工作取得了令人矚目的成績。
2007年，升任微軟全球資深副總裁，在微軟應用與服務部門負責微軟必應搜索引擎的全球產品研發工作。2013年，接替退休的微軟前首席研究和戰略官克雷格·蒙迪（Craig Mundie）成為微軟全球執行副總裁，主管微軟技術與研發部門，並主要負責推動公司中長期總體技術戰略、策略以及前瞻性研究與開發工作。
2013年11月14日，微軟公司正式宣布，任命沈向洋為微軟全球執行副總裁，主管微軟技術與研發部門，並主要負責推動公司中長期總體技術戰略、策略以及前瞻性研究與開發工作。
2015年12月16日，出席了第二屆世界互聯網大會開幕式擔任嘉賓。