师事朱熹
蔡沈幼承家学，稍长，师事朱熹于白鹿洞书院，为朱熹晚年最有成就的弟子之一。蔡沈博览群书，视功名如草芥，三十不就科举，诸臣举荐，都推说：“此非吾志也”，坚不肯受。庆元二年（1196）爆发庆元党禁，随父谪官道州（今湖南道县），父子穿草鞋步行三千里，闭户读书，授徒讲学。父殁，护柩以还，赠银以途者众，沈一一跪谢坚不肯受。
潜心著学
蔡沈遵循父命与朱熹嘱咐，在建阳崇泰里（今莒口乡）庐峰山麓建大明堂（即庐峰精舍），寒窗夜灯，潜心著述，十载著成《洪范皇极内篇》、《尚书集传》。此二书均进入四库全书。《洪范皇极内篇》是以81个洪范畴数，论述天地阴阳理气体用，动静以至自然界动植物的变化等问题。《书集传》是受朱子之托而著，化十年功夫，用简明的文字诠释经曲以得帝王谟诰之旨。与朱熹的《周易本义》、《诗集传》胡安国的《春秋传》等书并列为官书，为科举所依据，成为元、明、清三代人士必读课本。
他还与兄蔡渊一道将祖上所遗武夷山牧堂加以修缮扩建，名为“南山书堂”，以为授徒论道、著述之所。因与武夷精舍相近，可与学友随时往返，相互切磋。蔡沈遵父命在南山书堂著《洪范皇极》。在离书院不远的一曲儒巾石上，留下“千崖万壑”题刻。绍定三年(1230)病逝，谥“文正”，真德秀为其撰墓志铭，
蔡沈由于师教和家学的熏陶，理学修养甚深。创九峰学派，主要弟子有陈光祖、刘钦、何云源及其子蔡模、蔡杭、蔡权等。
身后荣享
由于著书有功，教子以忠，闻于朝庭，宝佑三年（1256）理宗皇帝追赠太子少师，次年再赠太子太师、太师永国公谥文正。宋宝佑三年理宗皇帝御书“庐峰”巨字，由子蔡杭石刻于九峰石崖上，理宗皇帝赞曰：“蔡沉纲维吾道，羽翼正传，礼乐立邦国之经，著述可垂于百世。象数明天地之撰，制作示法于后人，立身不在其身，光前克裕厥后，以持敬为格心之学，以协忠为赞化之谟，经论大经由夙成于考训宫师极品。”元朝至正十九年追赠建国公。明成化三年又赠崇安伯，明嘉靖九年诏蔡沈入至圣祠。清康熙44年，圣祖仁皇帝御书颁赐宋儒蔡沈《学阐图畴》金匾。