生平
出身
沈葆桢于道光二十七年（1847年）考中进士，选庶吉士，散馆后授翰林院编修。咸丰四年（1854年）改任御史。
任职江西
咸丰六年（1856年）改派江西，任广信知府，追随曾国藩与太平天国作战。当时，城池被太平军围攻，守城的沈葆桢与沈夫人林普晴（禁烟名臣林则徐的三女）同登上城楼，沈夫人甚至仿效南宋梁红玉在城楼上击鼓，守军士气为之大振、击退敌军。
咸丰十一年（1861年），沈葆桢升任江西巡抚。同治三年（1864年），清军攻破太平天国首都天京（今江苏南京）后统帅曾国荃纵兵屠城廿万，奸淫掳掠三日夜火光不息；忠王李秀成率众突围失败，唯幼天王洪天贵福及洪仁玕、黄文英等辗转逃至江西，皆为沈葆桢部擒获并以斩草除根为目奏准慈禧太后全处凌迟极刑，其中14岁的幼天王因此成为人类史上凌迟死刑纪录最年幼者。
船政大臣
同治五年（1866年），左宗棠于福建福州设立马尾造船厂，左仍在筹备中旋即被调任陕甘。左宗棠荐沈葆桢代其事，沈于次年（1867年）被任为船政总理大臣，任内对中国的现代航海事业及洋务运动皆贡献甚大。沈葆桢除了在马尾兴建船坞，制造现代船舰以装备福建水师（同时更供应北洋海军、南洋海军其他舰队），更非常著重人材培养，建立了中国首家海军学校福建船政学堂，训练之人材中不少成为日后北洋水师与洋务实业的中坚。
台湾海防钦差大臣
牡丹社事件
同治十三年（1874年）5月，牡丹社事件爆发，日军攻打台湾恒春，清廷闻讯后派遣时任福建船政大臣的沈葆桢，紧急前往台湾筹办防务。不久之后，清廷获知日军已登陆台湾，且与台湾原住民之政权斯卡罗王国发生激战，因此改授沈葆桢为钦差大臣，称「钦差办理台湾等处海防兼理各国事务大臣」，将福建所有总兵、道尹归其节制，江苏、广东沿海各口轮船准其调遣，以便与日本及各国按约交涉。沈葆桢受命后，便与福州将军文煜、闽浙总督兼署福建巡抚李鹤年联合上奏，提出联外交、储利器、储人才、通消息等四项要求，清廷均予以嘉许，并命迅速办理。
6月，沈葆桢与福建布政使潘霨一同至台。沈葆桢以军备刻不容缓，台南市府城为根本之地，遂于安平兴建炮台，置放西洋巨炮以为防御（即亿载金城），同时派兵分驻枋寮、东港等地，也在旗后（今日的旗津区）设立炮台，并请调淮军最精锐的武力铭军（刘铭传部）唐定奎部六千馀人，及总兵张其光、吴光亮等洋枪队及粤勇共八千馀人先后抵台，积极备战。
虽然此时台湾情势一触即发，但清廷本身海防空虚，新疆回乱未平，不希望与日本发生正面冲突；日本也因饱受台湾南部瘴疠之气所苦，同时并未具备大规模对外征战能力，双方遂签订北京专约，日军撤离台湾。
在台湾的建设
增设府县
牡丹社事件后，沈葆桢决定在日军登陆的琅峤地区设置恒春县，同时奏请在台湾北部设立台北府，将淡水厅及噶玛兰厅分别改为淡水县及宜兰县。另将淡水厅头前溪以南地区单独划设为新竹县，鸡笼地区单独设厅，并改名为基隆厅。于是大甲溪以北地区新设台北府，下设淡水、新竹、宜兰三县及基隆厅，以淡水县为附郭县，使北部在行政组织上的比重大为增强，以配合其在台湾开港以后的迅速发展。
沈葆桢为解决组织与移垦开发速度脱节的问题，也对中南部的行政区划加以调整。由于当时诸罗县南部的曾文溪以南地区距离县治过远，且为加强台湾府之附郭县台湾县的辖境，因此将此一地区划入台湾县。此外又将彰化县埔里地区单独设立埔里社厅，改「北路抚民理蕃同知」为「中路抚民理蕃同知」，移驻埔里。另在后山地区设置卑南厅，移「南路抚民理蕃同知」驻守。于是大甲溪以南的中南部地区仍设台湾府，下辖彰化县、嘉义县、台湾县、凤山县、恒春县五县及埔里社厅、澎湖厅、卑南厅三厅。
加强军防
为加强台湾的防御能力，沈葆桢乃命人在台湾各地修筑相关建筑。如台南二鲲鯓炮台、恒春县城墙等。
开山抚番
沈葆桢奏请增设台北府，也认为须同时进行开山抚番，计划一面开发后山（东台湾）地区，先行占领，以免为外人所占领，因此建设三路，北路由噶玛兰苏澳镇至花莲县奇莱，共计205里、中路由彰化林圮埔至花莲璞石阁，共计265里，以及南路由屏东射寮（车城）至台东卑南，共计214里。另外则是「抚蕃」，乃是招抚高山族原住民），使其汉化，不再出草汉人。欲使原住民失去武装，则讨伐不顺从的原住民，故先后发生诱杀阿美族菁英的大港口事件、与消灭撒奇莱雅族及噶玛兰族的加礼宛战役等屠杀事件，又凌迟处死赴营请降的族长古穆·巴力克（Komod Pazik）、并当众惨杀其夫人伊婕·卡娜萧（Icep Kanasaw），花东二族在抵抗清军的持续入侵中几近灭绝。
废除渡台禁令
沈葆桢经考察后认为必须解除过去限制汉人的渡台禁令以落实「开山抚蕃」政策，否则台湾之土地将无法充分开发；1875年2月，沈葆桢上奏请求解除关于台湾之各种禁令，并获得朝廷准许使得汉人大量来台。
表彰忠节振励民心
沈葆桢抵台之时，清廷领有台湾已达190年，当时清廷对郑成功的抗清运动也已由贬抑转向包容，早在康熙帝就已有「朱成功系明室遗臣，非朕之乱臣贼子」之语。台湾人也有建祠祭祀之风，乡民私下祭奉郑成功，称为大王爷、开山王，且名以「开山庙」（台南市开山路上），以掩官吏耳目。
沈葆桢抵台之后，台湾进士杨士芳等禀称，可否奏请追諡郑成功，并准予建祠；台湾道道员、台湾知府等官员亦表赞同，沈葆桢也认为有其必要，据以上奏，清廷准其奏请，在台湾府城建专祠，并諡「忠节」，以彰义忠。之后建祠于府城，以南明诸臣114人配享，春秋两季加以祭祀。沈葆桢并亲手书写对联云：「开万古得未曾有之奇，洪荒留此山川，作遗民世界；极一生无可如何之遇，缺憾还诸天地，是创格完人。」
两江总督兼南洋大臣
光绪元年（1875年），沈葆桢回中国大陆，上燕京后，被任为两江总督兼南洋大臣，负责督办南洋水师。沈葆桢以朝廷经费有限，分散建南、北洋水师感到不足，主动提议先集中力量建北洋水师。
逝世
光绪五年（1879年），沈葆桢在江宁病逝于任上。諡文肃，朝廷追赠太子太保衔。
沈葆桢墓位于福建省福州市鼓楼区洪山镇梅峰路2号、南京军区福州总医院第二住院部（总院分院）西北角的运动广场（），与其父、母、妻、弟、弟媳同葬。沈家后人曾于西元2000年集资重修茔地，并在墓旁立一重修记碑。据重修记，原墓碑在西元1960年代文化大革命期间被毁，左右两段已不全，仅存中间部分残片至今。
评价
• 连雅堂：「析疆增吏，开山抚番，以立富强之基，沈葆祯缔造之功，顾不伟欤！」
后代
• 第二代：沈玮庆（1842－1880）、沈莹庆、沈瑜庆、沈璘庆、沈璇庆、沈瑶庆、沈琬庆
• 第三代：沈翊清（1861－1908）、沈黻清（1863－1938）、沈赞清、沈照藜、沈淮琛、沈毓衡、沈惠言、沈亮吉、沈永清、沈成鹄、沈成栻、沈鹊应（1877－1900）
• 第四代：沈觐扆、沈觐平、沈觐宸、沈觐冕（1887－1945）、沈觐鼎、沈觐安（1901－1975）、沈觐寿（1907－1997）、沈觐康、沈觐唐
• 第五代：沈祖牟（1909－1947）、沈祖海、（沈祖荣）， （沈祖勋）沈祖湜、沈祖馨、沈祖筹、沈祖雄、沈祖飞、沈祖强、沈祖同
• 第六代：沈秋杰、沈秋龙、沈梁、沈丹昆、沈吕宁、沈吕巡、沈吕遂、沈冬、沈吕汀
• 第七代：沈光中、沈卫国、沈卫斌、沈朱熙
• 第八代：沈哲廷
沈葆桢（1820年 - 1879年），字翰宇、幼丹，諡文肃，是一位生于福建省侯官县（今福州市区）的晚清重要大臣。他是「同治中兴」时洋务运动的重要人物之一，先后曾任江西巡抚、总理船政大臣、台湾海防钦差大臣、两江总督兼南洋通商大臣，对台湾历史发展也有重大影响。妻林普晴是清朝名臣林则徐的次女，是为林女婿。