1909年1月29日出生在蘇州一個世代書香之家。曾祖父沈炳垣是清咸豐內閣大學士、咸豐皇帝的老師;祖父沈守謙精於書法，與畫家吳昌碩、詞人朱孝臧爲友。
沈祖棻中學就讀於上海。1930年考入中央大學上海商學院(現上海財經大學)。
1931年轉學至南京中央大學文學院中文系學習，當時系中名師雲集，學風蔚盛。沈祖棻得益於家庭薰陶的古典文學研究和舊體詩詞的寫作才能引起了人們的注意。當時院長汪東對她的《浣溪沙》詞微婉深刻地反映“九·一八”事變後的民族危機感到驚奇，給予她熱情的勉勵。同時，沈祖棻也開始了她的新文學創作。青春的夢想、細密的心理、纖柔的詩情，在她的各種文體形式的嘗試中盡情地舒展着，散見於當時刊物的新詩、散文、小說、獨幕劇等，初步顯示了她的文學才華和創作風格。
1934年，沈祖棻考入金陵大學國學研究班，致力於古典文學研究。同時與中文系同窗程千帆志同道合而相愛。並發表了一系列的短篇歷史小說，贏得當時評論界在廣泛關注，被文壇譽爲“江南才女”。
1935年，她的小說《辯才禪師》發表，被認爲是“充滿詩意的感情和筆調”的佳作。
1936年春發表的《懸崖上的家》也廣受稱頌。畢業後，沈祖棻一面在各地任教，一面進行新詩和詞的創作，動盪的時代，使她的詩詞在輕靈婉麗中透着凝重和深沉，抒發着她對災難深重的祖國至誠的愛。
1937年9月，南京遭到日寇的狂轟濫炸，沈祖棻和程千帆避難至安徽屯溪，在屯溪匆促完婚。自1942年至日本投降，沈祖棻先後在金陵大學、華西大學講授詩詞。
1940年4月，沈祖棻因腹中生瘤前往成都動手術，不料醫院失火，她倉皇逃出，所有衣物都被燒燬。程千帆聞訊驚恐萬狀，當找到妻子時，兩個相擁而泣。
1942年夏，她身體漸漸康復，和丈夫一起到成都金陵大學教書。沈祖棻在成都金陵大學開詞選課時物色了5位有才華的學生成立了正聲詩詞社，在當時很有影響。她還爲4位將畢業的學生每人各選了30多首結集成《風雨同聲集》出版。
1943年秋，因中文系人事糾紛受到排擠。次年春，因怒而揭發學校將政府發給教職員的平價米高價出售，夫婦倆一起被學校開除。
1946年底，沈祖棻終於結束9年的離亂，回到武昌與丈夫團聚。
1949年，38歲的沈祖棻剖腹產下女兒程麗則。產後，她的身體越來越差，起初怎麼也找不出病因，最後才發現原來剖腹時庸醫將手術紗布遺留在了她腹內。爲此她飽受兩年病痛，連腸子都爛掉一截，不得不做多次手術才把紗布取盡。就在她在上海做手術時，上海解放。目睹陳毅大軍進城紀律嚴明，對百姓秋毫不犯，她激動萬分。同年，《涉江詞》結集出版，受到名家的一致好評。
1952年，她病體尚未完全痊癒就重登講壇，先是在江蘇師範學院任教，
1956年投奔丈夫任中文系主任的武漢大學，夫婦共同執教武大，在珞珈山下教書育人，講授中國文學史、古典名著選讀、歷代韻文選、元明戲曲研究、唐人七絕詩等課程。
1957年，程千帆被錯劃爲右派，下放農場改造。沈祖棻留在武大繼續教學，她的課深受學生喜愛。
1963年，她被推選爲湖北省召開李清照學術研討會作準備的武大觀摩課主講人，當時華中師範學院和武漢師範學院也開同題觀摩課，一致公認沈祖棻講得最成功最出色。“文革”開始，多病的她，只有女兒麗則在身邊，母女相依爲命。
1972年，女兒結婚搬走了，夫妻倆城鄉兩隔，惟有詩詞唱和稍慰相思之苦。沈祖棻感賦：“文章知己雖堪許，患難夫妻自可悲。”程千帆唱和：“巴渝唱遍吳娘曲，應記阿婆初嫁時。”
1975年，程千帆平反，1976年回到武漢，夫妻有了短暫的團聚。
1977年6月27日遭遇車禍而不幸逝世。
