1909年1月29日出生在苏州一个世代书香之家。曾祖父沈炳垣是清咸丰内阁大学士、咸丰皇帝的老师;祖父沈守谦精于书法，与画家吴昌硕、词人朱孝臧为友。
沈祖棻中学就读于上海。1930年考入中央大学上海商学院(现上海财经大学)。
1931年转学至南京中央大学文学院中文系学习，当时系中名师云集，学风蔚盛。沈祖棻得益于家庭熏陶的古典文学研究和旧体诗词的写作才能引起了人们的注意。当时院长汪东对她的《浣溪沙》词微婉深刻地反映“九·一八”事变后的民族危机感到惊奇，给予她热情的勉励。同时，沈祖棻也开始了她的新文学创作。青春的梦想、细密的心理、纤柔的诗情，在她的各种文体形式的尝试中尽情地舒展着，散见于当时刊物的新诗、散文、小说、独幕剧等，初步显示了她的文学才华和创作风格。
1934年，沈祖棻考入金陵大学国学研究班，致力于古典文学研究。同时与中文系同窗程千帆志同道合而相爱。并发表了一系列的短篇历史小说，赢得当时评论界在广泛关注，被文坛誉为“江南才女”。
1935年，她的小说《辩才禅师》发表，被认为是“充满诗意的感情和笔调”的佳作。
1936年春发表的《悬崖上的家》也广受称颂。毕业后，沈祖棻一面在各地任教，一面进行新诗和词的创作，动荡的时代，使她的诗词在轻灵婉丽中透着凝重和深沉，抒发着她对灾难深重的祖国至诚的爱。
1937年9月，南京遭到日寇的狂轰滥炸，沈祖棻和程千帆避难至安徽屯溪，在屯溪匆促完婚。自1942年至日本投降，沈祖棻先后在金陵大学、华西大学讲授诗词。
1940年4月，沈祖棻因腹中生瘤前往成都动手术，不料医院失火，她仓皇逃出，所有衣物都被烧毁。程千帆闻讯惊恐万状，当找到妻子时，两个相拥而泣。
1942年夏，她身体渐渐康复，和丈夫一起到成都金陵大学教书。沈祖棻在成都金陵大学开词选课时物色了5位有才华的学生成立了正声诗词社，在当时很有影响。她还为4位将毕业的学生每人各选了30多首结集成《风雨同声集》出版。
1943年秋，因中文系人事纠纷受到排挤。次年春，因怒而揭发学校将政府发给教职员的平价米高价出售，夫妇俩一起被学校开除。
1946年底，沈祖棻终于结束9年的离乱，回到武昌与丈夫团聚。
1949年，38岁的沈祖棻剖腹产下女儿程丽则。产后，她的身体越来越差，起初怎么也找不出病因，最后才发现原来剖腹时庸医将手术纱布遗留在了她腹内。为此她饱受两年病痛，连肠子都烂掉一截，不得不做多次手术才把纱布取尽。就在她在上海做手术时，上海解放。目睹陈毅大军进城纪律严明，对百姓秋毫不犯，她激动万分。同年，《涉江词》结集出版，受到名家的一致好评。
1952年，她病体尚未完全痊愈就重登讲坛，先是在江苏师范学院任教，
1956年投奔丈夫任中文系主任的武汉大学，夫妇共同执教武大，在珞珈山下教书育人，讲授中国文学史、古典名著选读、历代韵文选、元明戏曲研究、唐人七绝诗等课程。
1957年，程千帆被错划为右派，下放农场改造。沈祖棻留在武大继续教学，她的课深受学生喜爱。
1963年，她被推选为湖北省召开李清照学术研讨会作准备的武大观摩课主讲人，当时华中师范学院和武汉师范学院也开同题观摩课，一致公认沈祖棻讲得最成功最出色。“文革”开始，多病的她，只有女儿丽则在身边，母女相依为命。
1972年，女儿结婚搬走了，夫妻俩城乡两隔，惟有诗词唱和稍慰相思之苦。沈祖棻感赋：“文章知己虽堪许，患难夫妻自可悲。”程千帆唱和：“巴渝唱遍吴娘曲，应记阿婆初嫁时。”
1975年，程千帆平反，1976年回到武汉，夫妻有了短暂的团聚。
1977年6月27日遭遇车祸而不幸逝世。