孙沔为天禧三年（1019年）进士。历仕外官，累迁监察御史。皇祐四年（1052年），任湖南、江西路安抚使兼广南东、西路安抚使，会同狄青镇压侬智高起事。迁枢密副使。出知杭州。纵无行，残民不法，被劾致仕。英宗即位，起知河中府，处知庆州。这一年，朝廷任命并州（今山西阳泉南）知州孙沔为寿州（今安徽风台）知州时，御史中丞韩绛、监察御史沈起、谏官唐介、吴及等弹劾孙沔的一些不法行为。在杭州时，孙沔曾向萧山县（今浙江萧山）老百姓郑曼买纱，郑曼故意抬高纱的价格，孙沔公报私仇，判决郑曼配隶其它州郡。杭州市民许明有颗大珍珠，孙沔强迫他卖给自己；孙沔还屡次夺人妻子，强迫她们与自己通奸。孙沔在并州担任知州时期，擅自派遣吏人、士兵往来青州（今山东益都）、麟（今陕西神木）州买卖纱、绢、纸、药物等，从中牟取暴利，孙沔还与其它州县官吏狼狈为奸，知忻州（山西忻县）就曾派人将妓女送往并州，献给孙沔。孙沔任官所到之处，几乎都是这些劣迹。宋仁宗立即派人调查取证，情况全部属实，嘉祐四年（1059年）五月，孙沔被贬为没有实权的宁国军节度副使。

张贵妃薨，追册为皇后，命沔读册。故事，正后，翰林学士读册。沔既陈不可用宰相护葬，且曰：“陛下若以臣沔读册则可，以枢密副使读册则不可。”遂求罢职。以资政殿学士知杭州。迁大学士，徙知青州。又迁观文殿学士、知并州。而谏官吴及、御史沈起奏沔淫纵无检，守杭及并所为不法，乃徙寿州。诏按其迹，而使者奏：“沔在处州时，于游人中见白牡丹者，遂诱与奸。及在杭州，尝从萧山民郑旻市纱，旻高其直，沔为恨。会旻贸纱有隐而不税者，事觉，沔取其家簿记，积计不税者几万端，配隶旻他州。州人许明有大珠百，沔妻弟边珣以钱三万三千强市之。沔爱明所藏郭虔晖画《鹰图》，明不以献。初，明父祷水仙大王庙生明，故幼名‘大王儿’。沔即捕按明僭称王，取其画鹰，刺配之。及沔罢去，明诣提点刑狱，断一臂自讼，乃得释。杭州人金氏女，沔白昼使吏卒舆致，乱之。有赵氏女已许嫁莘旦，沔见西湖上，遂设计取赵女至州宅，与饮食卧起。所刺配人以百数，及罢，盗其按去，后有诉冤者多以无按，不能自解。在并州，私役使吏卒，往来青州、麟州市卖纱、绢、绵、纸、药物。官庭列大梃，或以暴怒击诉事者，尝剔取盗足后筋，断之。”奏至，乃责宁国节度副使，监司坐失察，皆被绌。其后复光禄卿，分司南京，居宿州。会恩，知濠州，以尚书礼部侍郎致仕。英宗即位，迁户部。帝与执政议守边者，难其人，参知政事欧阳修奏：“孙沔向守环庆，养练士卒，招抚蕃夷，恩信最著。今虽七十，心力不衰，中间曾以罪废，然宜弃瑕使过。”遂起为资政殿学士、知河中府，又以为观文殿学士、知庆州，徙延州，道卒。