1913年，沈西苓随家人迁居杭州。早年就读于浙江甲种工业学校（今浙江理工大学）染织科。从学校毕业后东渡日本，进入京都高等工业学校染织图案系就读。在日本留学期间，沈西苓结识日本戏剧家秋田雨雀、村山知义。1924年，在日本东京筑地小剧场跟村山知义实习剧场艺术。

1928年，回到上海，投身于左翼文艺运动，加入了创造社，并在上海美术专科学校及中华艺术大学任教，撰写影剧评论和翻译外国文艺作品。

1930年2月，与许幸之等组织发起中国第一个左翼美术团体时代美术社；3月，与鲁迅等联名发起并组织成立中国左翼作家联盟；同年，与夏衍、冯乃超等共同编辑出版左翼戏剧刊物《艺术》，随即遭国民党反动政府查禁。

1931年，先后在天一、明星等影业公司任职。1933年，执导个人首部电影《女性的吶喊》，该片由王莹、王吉亭等联合主演；同年，执导由顾兰君、赵丹合作主演的剧情电影《上海二十四小时》；2月，当选为中国电影文化协会执行委员，并担任宣传部的领导工作；9月，参演以1925年万县惨案为题材的话剧《怒吼罢，中国！》。

1934年，执导由朱秋痕、高占非、胡蝶联合主演的剧情电影《女儿经》；同年，执导由高倩苹、梅熹共同主演的抗战电影《乡愁》。1935年，由其自编自导的爱情电影《船家女》上映。1936年7月，在明星影片公司二厂担任编导。

1937年，自编自导由赵丹、白杨共同主演的剧情电影《十字街头》，在执导该片的同时，还积极从事国防戏剧运动，与夏衍、尤兢、凌鹤等集体创作了国防戏剧《撤退赵家庄》；同年，参加进步话剧团体光明剧社和业余实验剧团，执导了《武则天》、《醉生梦死》等舞台剧；随后，他脱离了明星公司，加入了联华电影公司；7月，当选为电影界工作人协会常务理事；接着，创作独幕剧《在烽火中》；此外，还与夏衍、尤兢、凌鹤等集体执导了三幕剧《保卫芦沟桥》。

1938年1月，当选为中华全国电影界抗敌协会第一届理事；同年，担任中国电影摄影场的编导；此外，还担任了剧情电影《日出》的编剧。1939年，执导以抗战为题材的剧情电影《中华儿女》。1940年12月17日，沈西苓在重庆病逝，享年36岁。

沈西苓的父亲为高级职员，担任杭州丝厂纬成公司的总会计，生有一女二子，沈西苓排行第二，上有姐姐沈兹九（1898年），下有弟弟沈学源（1909—1985）。

1931年，沈西苓在杭州与一位徐姓的女子结婚，这是一次由家长包办的婚姻，徐氏也是德清人，一直是纬成丝厂的工人；后来，两人感情不合，长期分居。1937年，在上海与同为电影工作者的孙德（无锡人）结婚，后来生下一女。

沈西苓坚守着通过电影来反映现实生活中的社会矛盾与阶级对立，通过对比贫富悬殊的日常细节来揭示不公，唤起大众的觉醒与反抗。在审美艺术上，他注重动态镜头，藉助静态化剪接使得画面更加自然流畅。他始终怀抱着对祖国的忠诚和热爱，坚守进步文化观念，用电影及话剧来反抗当时的残酷统治，用艺术形式来鼓励当时人民勇敢斗争。由此形成了强烈的现实主义、爱国主义和人道主义的电影风格。而且，他特别注重银幕画面的叙事作用，依赖镜头语言来进行表现，大量移动拍摄设备的使用，改变了原来单一视点拍摄的固定造型格局，形成了连续性的平面叙事故事（《当代电影》评）。