又名沈，字仲默、號九峰，蔡元定第三子。少好學，父教誨以立身之道，后從其師朱嘉的理學思想以傳道。他博覽群書，學識淵博，凡古書深奧均能梳理闡發;對天文、數歷了如指掌。看功名如草芥，年近三十就摒棄舉子業。當時王鎮，劉爚等名臣薦舉他，他說:“此非吾志，非先君之所訓”，決不肯就

慶元三年(1197年)，韓侂胄專權，朝廷以朱熹為代表的理學定為“偽學”，蔡元定受株連，遠謫道州(今屬湖南)。沉年三十，步行三千里侍從，父子毫不悲息，以禮義相怡悅。次年，父病歿于貶所，沉又徒步扶柩以歸。間有饋贈路費的，他決不肯受，說寧要竭盡己力，力盡則隨地而殯，也不負不義之名，累及先父。

蔡沉遵循先父與朱熹囑咐，于慶元間(1195~1200年)入崇泰里(今莒口鄉)廬峰，在其山麓建大明堂(即廬峰精舍)，寒窗夜燈，潛心著述，嘔心瀝血，十載始撰成《書集傳》。不僅糾正了古文《尚書》的訛誤，而且闡發個人獨到新義，把《書經》的傳注推到更高的境界。到元、明、清三朝成為學校法定教科書，是科舉考試出題、評卷的法式依據。所著《洪范皇極》一書，明確象數的排算方法，闡發宇宙的發展變化。

蔡沉逝世于紹定三年(1230年)，享年64歲，葬于建陽縣后山，真德秀為撰墓志銘。謚“文正”。