1966年10月出生于南京市溧水区,沈向洋13岁从江苏省溧水高级中学毕业,进入南京工学院(现东南大学)学习。随后获得香港大学电机电子工程系硕士学位。1991年沈向洋进入全美计算机专业排名第一的卡内基梅隆大学计算机学院,成为图灵奖获得者、著名计算机专家拉吉·瑞迪(Raj Reddy)教授的学生(拉吉·瑞迪与爱德华·费根鲍姆因为在人工智能方面的贡献而分享了1994年的图灵奖)。1996年,获得卡内基-梅隆大学计算机学院机器人专业博士学位。1994和1995年暑期,沈向洋曾在美国DEC公司剑桥实验室及苹果公司交互媒体实验室实习,并在完成博士论文后,加盟位于硅谷的“真实空间”(RealSpace)创业公司。1996年,作为研究员加入位于美国华盛顿州雷德蒙德(Redmond,Washington)的微软研究院。1999年,回到北京参与创立微软中国研究院(后更名为微软亚洲研究院),并担任微软亚洲研究院计算组主任研究员,高级研究员。2004年,升任第三任微软亚洲研究院院长,兼首席科学家。在他的带领下,微软亚洲研究院在计算机视觉、图形学、人机交互和统计学习等方向的研究工作取得了令人瞩目的成绩。2007年,升任微软全球资深副总裁,在微软应用与服务部门负责微软必应搜索引擎的全球产品研发工作。2013年,接替退休的微软前首席研究和战略官克雷格·蒙迪(Craig Mundie)成为微软全球执行副总裁,主管微软技术与研发部门,并主要负责推动公司中长期总体技术战略、策略以及前瞻性研究与开发工作。2013年11月14日,微软公司正式宣布,任命沈向洋为微软全球执行副总裁,主管微软技术与研发部门,并主要负责推动公司中长期总体技术战略、策略以及前瞻性研究与开发工作。 2015年12月16日,出席了第二届世界互联网大会开幕式担任嘉宾。