沙溢出生在吉林长春，小学就读于长春汽车一小，初中就读于吉林省实验中学，高中在吉林艺术学院学习作曲。家就住在长春电影制片厂对面，从家里的阳台上就能看到片厂的布景，从小对电影充满了好奇。
父母都是评剧演员，小时候的沙溢学习萨克斯，准备从事音乐事业，在吉林省艺术学院学习作曲期间，因为经常去学校戏剧社，爱上了表演，从而明确要走上表演这条路。
1997年，沙溢考取中国人民解放军艺术学院戏剧系，开始学习表演。
2001年，毕业后进入空军政治部话剧团。
2000年，沙溢参演了张子恩指导的电视剧《上错花轿嫁对郎》，剧中饰演沙平威。
2002年，沙溢参演了尚敬导演的军旅题材情景喜剧《炊事班的故事》，以活泼明快的表演让观众记住了他的角色“帅胡”。并凭借着此片获得了获得第15届“金星奖”最佳男演员奖。2002年到2005年期间继续和姚晨、喻恩泰、闫妮合作，参演由尚敬执导，宁财神编剧的《都市男女》、《健康快车》等情景喜剧。
2005年，和尚敬导演合作，拍摄了宁财神编剧的古装喜剧《武林外传》，出演男一号白展堂。沙溢也凭借着剧中帅气而又幽默的白展堂而让观众们熟知，使“白展堂”也成为深入人心的经典角色。
2008年，沙溢出演由高希希执导的电视剧《甜蜜蜜》，在剧中他扮演内敛稳重的韩阳。这个对爱情执着的好男人赢得了众多观众的支持，对沙溢的这次形象巨大的反差表演给予了肯定。
2010年，沙溢首次在《青盲》出演徐行良。由于入戏太深，沙溢坦言自己拍摄完《青盲》后好长一段时间变得易怒。电视剧播出后，观众对徐行良的痛恨，也说明了观众对沙溢的反派形象的塑造能力表示认可。
2010年，电影版《武林外传》开拍，原班演员人马联袂出演，沙溢在影片中首次尝试高难度动作戏。在电影开拍前沙溢开始积极健身，每天抽空上健身课为打戏做足准备。电影版的白展堂，少了几分年轻时的潇洒倜傥诙谐幽默，多了几分成熟男人面对婚姻面对家庭应有的深沉与担当。影片上映之后，票房7180万元首周夺冠。《武林外传》投资不到2000万，其全国票房突破2亿，该片成为2011年春节档中国电影市场上最赚钱的电影；5月，参演电视剧《三国》开播，饰演孙策。
2011年，沙溢在《血战长空》中饰演空军青年军官刘长岭，这一角色依据空战英雄原型改编而来，不仅有着浓烈的传奇色彩，更以满腔爱国之情令人折服。
2012年，沙溢在央视春晚的舞台上不仅携妻子胡可跨界献唱《采茶舞曲》同时还表演了一出小品《荆柯刺秦》。2月6日，沙溢登央视元宵晚会，与李云迪两人进行钢琴与萨克斯合奏版的《彩云追月》。同年8月，沙溢在陆川导演历史悬疑大片《王的盛宴》中饰演萧何，因为萧何的老年妆在脸上贴了厚厚的几层假皮，还有大胡子，所以脸部的肌肉基本上动不了，只能靠用眼神替代表情传递内心戏出去。影片上映之后，有影评人指出，片中沙溢饰演的萧何是全片最大的惊喜，沙溢在影片中演技爆发。沙溢也凭借这一角色获得第十四届中国电影表演艺术学会奖，被赞誉为是一个可以驾驭多种角色的好演员。
2013年，沙溢首次尝试谍战剧《渗透》，沙溢颠覆性出演一个左右逢源油嘴滑舌又死皮赖脸的另类特工。该剧入围了第20届上海电视节白玉兰奖、第27届中国电视金鹰奖。同年，参演许鞍华导演的电影《黄金时代》，饰演东北作家舒群。
2014年，沙溢加盟央视即兴喜剧节目《喜乐街》，其独特新颖的节目形式，备受社会各界好评。同年4月，沙溢主演徐纪周执导的《秀才遇到兵》，沙溢饰演的村炮大兵马三炮。9月，参演李玉执导的电影《万物生长》饰演“不靠谱”的白老师。11月主演电视剧《熊爸熊孩子》，饰演“两耳不闻家务事，一心只做精英男”的熊雄。
2015年，参加中央电视台春节联欢晚会表演小品《喜乐街》。3月5日，沙溢在中央电视台元宵晚会上演唱《那些花儿》。2015年5月，沙溢参演年代传奇励志电视剧《东方球王》，出演男一号李耀华，演绎一代球王的传奇一生。9月，拍摄抗战题材电视剧《政委》，饰演原东北抗联团长老邱。10月录制央视真人秀节目《了不起的挑战》。
2016年，沙溢加盟综艺节目《一路上有你》第二季。2月7日参加中央电视台春节联欢晚会，表演开场歌曲《春到福来》。3月，沙溢出演电视剧《平凡岁月》，饰演从壮年到暮年的男主角李大宝。7月参演电影《侠盗联盟》。9月加盟综艺节目《喜剧总动员》《爸爸去哪儿》第四季。10月录制真人秀节目《我们的挑战》（了不起的挑战第二季）。
2017年，录制湖南卫视小年夜春晚。2月11日，在央视元宵晚会表演小品《过河》。5月，参演民国探案剧《神探柯晨》。6月主演科幻都市电影《回到昨天》。9月13日，常驻主持的明星美食类脱口秀节目《穿越吧厨房2017》在江苏卫视播出。10月加盟湖南卫视军旅成长励志节目《奇兵神犬》，同月并与胡可参演奇幻爱情喜剧电影《奇幻民宿》。
2018年，沙溢加盟江苏卫视孕期生活真人秀《我们仨》。2月15日，在中央电视台春节联欢晚会表演开场歌舞《万紫千红中国年》。3月，参演李玉导演的喜剧电影《阳光不是劫匪》。10月，加盟汪俊执导的电视剧《小欢喜》，饰演乔卫东。
2019年，沙溢参加中央电视台春节联欢晚会演唱歌曲《点赞新时代》。2月19日，沙溢在中央电视台元宵晚会上演唱开场歌曲《喜气洋洋闹元宵》和《快乐男子汉》。8月14日，主演话剧《革命之路》开始在北京站演出。10月3日，沙溢首次转型导演的电影处女作《亲密旅行》上映。
2020年，在2020年中央广播电视总台春节联欢晚会上与贾冰、秦岚、张若昀、吴磊表演小品《风雪饺子情》；4月24日，《奔跑吧》第四季正式官宣嘉宾阵容，沙溢将作为新成员加盟“兄弟团”固定阵容；6月18日，爱奇艺全新饮食观察节目《未知的餐桌》正式上线，该节目由沙溢、岳云鹏每期分别带领一位飞行饭友在晚饭时段，寻找愿意开门并允许他们共享晚餐、分享故事的家庭；9月19日晚8点，参与的好奇主题晚会《百度好奇夜》在百度App、爱奇艺、浙江卫视等八大平台直播；9月28日，参演陈凯歌执导微电影《淑贞》上线；10月1日晚，参加2020年中央广播电视总台中秋晚会，与胡可演唱歌曲《爱的箴言》。11月23日，《奔跑吧·黄河篇》正式公布嘉宾阵容，跑男团沙溢等悉数到齐。
亲密旅行2019-10-03 饰演沈童 导演沙溢 主演沙俊伯
阳光不是劫匪2019 导演李玉
刀尖2019 导演高群书
回到昨天2018 饰演郭大川 主演姚星彤
侠盗联盟2017-08-11 饰演查理 导演冯德伦 主演刘德华、舒淇
午夜寻访录2016-04-08 饰演小光 导演刘天荣 主演胡可
万物生长2015-04-24 饰演白老师 导演李玉 主演韩庚、范冰冰、吴莫愁
黄金时代2014-10-01 饰演舒群 导演许鞍华 主演汤唯、冯绍峰
王的盛宴2012-11-29 饰演萧何 导演陆川 主演刘烨、秦岚、张震
幸福迷途2012-11-09 饰演宋灏 导演张全欣 主演阿雅、惠英红、莫小棋
三个未婚妈妈2012-10-26 饰演新生儿爸爸 导演江平 主演爱新觉罗启星
无底洞2011-09-15 饰演舒楠 导演江涛 主演叶青、瞿颖
武林外传2011-01-26 饰演白展堂 导演尚敬 主演闫妮、姚晨
越光宝盒2010-03-18 饰演琦岩 导演刘镇伟
奥运我爱你2008-00 饰演帅胡 导演查文白、高艺鑫
半个萝卜一个坑2007-00 饰演李书香 导演程东海 主演张雷
我的法兰西岁月2004-08-21 饰演纪德铭 导演翟俊杰 主演黄海波、钟秋
枪手2004-00 饰演许参谋 导演沈东 主演崔林、凌潇肃
东极之恋2003-00 饰演冯翰林 导演刘耀华 主演杨雨婷
我心中的朱丽叶2003-00 饰演潘越 导演李威 主演章艳敏
聊斋·席方平2000-00 饰演席方平 导演谢铁骊 主演席与立
小欢喜2019-07-31 饰演乔卫东 导演汪俊 主演黄磊、海清、陶虹
神探柯晨2019-06-22 饰演肖德盛 导演黄志忠 主演黄志忠、李倩
熊爸熊孩子2018-1-11 饰演熊雄 导演麦贯之 主演胡可、李佳航
平凡岁月2017-9-10 饰演李大宝 导演余淳 主演徐梵溪、斯琴高娃
政委2016-10-19 饰演邱永年 导演智磊 主演胡可、吕行、李依伊
东方球王2016 饰演李耀华 导演李威 主演王维维、吴军忱、马元
春江英雄之秀才遇到兵2015-08-05 饰演马三炮 导演徐纪周 主演李晨、马苏、李倩
我的博士老公2014-12-17 饰演梁鸿名 导演唐晓白 主演梁静
结婚前规则2014-07-11 饰演欧少杰 导演杨影 主演马苏、李乃文
我们的青春19772014-03-01 饰演罗志刚 导演江海洋 主演王媛可、宁晓志、杨子珊
渗透2013-12-03 饰演许忠义 导演虎子 主演曹炳琨、陈瑾、于越
孩奴2013-09-27 饰演刘志高 导演谢鸣晓 主演胡可
错伏2013-06-12 饰演林楚峰 导演虎子 主演罗海琼、斓曦、张晞临
牡丹亭2012-07-07 饰演柳梦梅 导演彭景泉 主演孙菲菲
血战长空2012-06-01 饰演刘长岭 导演高希希 主演邵兵、李依晓
情与缘2011-10-09 饰演杨辉 导演董志强 主演奚美娟、宋春丽
十一级台阶2011-06-06 饰演岳军 导演陈健 主演文清、黑子、金巧巧
青盲2011-03-18 饰演徐行良 导演杨文军 主演于和伟、王丽坤
婆婆来了2010-09-08 饰演王传志 导演梁山 主演朱杰
三国2010-05-02 饰演孙策 导演高希希 主演刘竞、黄维德、范雨林
闯荡2010-05-01 饰演杨树林 导演张汉杰 主演胡可、王大治、邓家佳
鹰隼大队2009-11-06 饰演马赫 导演彭昱凯 主演殷桃、林永健、姬晨牧
阳光灿烂周三强2009-02-01 饰演周三强 导演张晓春 主演刘威、刘奇、宋小宁
派出所的故事2009-01-15 饰演沙贻 导演洪剑涛 主演毛孩、姜超
高地2009-01-02 饰演沈东阳 导演刘家成 主演邢宇菲、侯勇、林永健
漂亮的事2008-11-25 饰演周子强 导演高希希 主演梅婷、于和伟
我们生活的年代2008-09-02 饰演郭洋港 导演张建栋 主演刘烨、李光洁、赵子琪
甜蜜蜜2007-12-01 饰演韩阳 导演高希希 主演邓超、孙俪、于滨
炊事班的故事32007-07-27 饰演帅胡 导演尚敬 主演洪剑涛、周小斌、范明
男人底线2007-04-13 饰演魏海洋 导演高希希 主演濮存昕、孙宁
新上海滩2007-01-25 饰演陈翰林 导演高希希 主演黄晓明、孙俪
和你一起飞2007-00 饰演陶立军 导演程生生 主演刘思言、巫刚、梁爱琪
垂直打击2006-11-26 饰演郝志刚 导演高希希 主演王新军、王超、王磊
海之门2006-08-21 饰演东北炮 导演雷献禾 主演海清、于震
武林外传2006-01-02 饰演白展堂 导演尚敬 主演闫妮、姚晨、喻恩泰
健康快车2004-01-23 饰演崔英豪 导演尚敬 主演闫妮、周小斌
炊事班的故事22004-00 饰演帅胡 导演尚敬 主演洪剑涛、周小斌、范明
乾隆王朝2003-02-23 饰演丰绅殷德 导演马骁 主演陈锐、左小青
沧海游龙2003-00 饰演皇甫定一 导演谭铭、黄锦添 主演张敏、吴孟达
危险进程2002-06-14 饰演戴志军 导演杨凤良 主演王思懿、马跃
2020 第26届上海电视节-白玉兰奖最佳男配角奖 小欢喜 （提名）
2014 第20届上海电视节-白玉兰奖最具人气男演员奖奖 渗透 （提名）
2014 第十届中国电视金鹰节最具人气男演员 渗透 （提名）
2013 第十四届中国电影表演艺术学会金凤凰奖学会奖 （获奖）
2012 第四届新农村电视艺术节最佳男主角 闯荡 （获奖）
2012 第十九届北京大学生电影节最佳电视电影男演员 无底洞 （提名）
2011 第八届电影频道传媒大奖最佳男主角 无底洞 （提名）
2011 第八届中国明星慈善榜年度慈善明星 （获奖）
2011 第一届“冰雪相约黑龙江影视明星汇”观众最喜爱的电视剧男演员 婆婆来了 （获奖）
2011 第一届“乐视影视盛典”内地年度电影最受欢迎演员 电影武林外传 （获奖）
2011 第一届“东方影视盛典”最具关注价值男演员奖 婆婆来了 （获奖）
2011 第十八届北京大学生电影节最受欢迎男演员 电影版武林外传 （提名）
2010 第四届“华鼎奖”最受观众喜爱演员奖 （获奖）
2009 第一届“影视60周年岁月与光芒”观众喜爱的电视剧男演员 （获奖）
2008 第一届“福布斯”最具期待名人奖 （获奖）
2007 第一届“华鼎奖”公众最满意演艺明星奖 （获奖）
2003 第十六届“金星奖”优秀男演员奖 炊事班的故事 （获奖）
2020-11 第16届中美电影节年度新晋电影导演奖 亲密旅行 （获奖）
2017 第十四届2016年微博年度综艺人物 爸爸去哪儿4 （获奖）
2016 第一届移动视频风云盛典年度实力男演员 （获奖）
2013 第三届明星公民颁奖盛典年度明星公民 （获奖）
2013 第十二届星尚大典风尚人物 （获奖）
2012 第一届风尚志权力榜颁奖盛典风尚风格明星大奖 （获奖）
2012 第一届亚洲偶像盛典最佳偶像伉俪 （获奖）
2011 第二届中国时尚大典星光男明星奖 （获奖）
2011 第一届“中国家庭日”年度盛典“中国家庭榜样”大奖 （获奖）
2011 第一届优品四周年盛典年度最具表现力艺人大奖 （获奖）
沙溢是一个注重自己形象的人。在电视银幕上抑或是很多访谈里沙溢都是搞笑幽默的存在，但在生活中，沙溢是一半幽默一般严肃。（网易娱乐）
沙溢在表演上基本功扎实，肯下功夫并非常善于挖掘人物角色的深度，且非常吃苦耐劳，沙溢在表演过程中不仅把角色演绎的生活化，准确的把握人物性格，而且在这个基础上进行变形和夸张。（环球人物杂志评价）
在古装情景喜剧巅峰之作《武林外传》中沙溢饰演的“盗圣”白展堂，成为了几代人难忘的经典形象。（新浪娱乐、凤凰网）
在走红后依然保持着一份淡泊名利的心境，生活中的他风趣幽默，待人真诚细心、且非常懂得照顾人，因此他也深受同事、战友和朋友们的尊重和喜爱。（环球生活杂志评价）
沙溢是个非常顾家的男人，喜剧出身的沙溢看似跳脱活泼，却非常值得托付和信赖，沙溢婚后一直低调，鲜少曝光家庭生活的细节，低调和安稳在娱乐圈中十分难得。(外滩画报评价)
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