沙孟海出生于名医书香之家，幼承庭训，早习篆刻，曾就读于慈溪锦堂学校，毕业于浙东第四师范学校。
1922年，沙孟海到上海担任家庭教师期间，有幸接触令他十分仰慕的康有为、吴昌硕等大师，对以后沙孟海的书法和篆刻产生了深远的影响。
1925年，任教商务印书馆图文函授社，其间，从冯君木、陈屺怀学古文学，使他学艺大进。章太炎主办的《华国月刊》，多次刊载他的金石文字。
沙孟海曾任浙江省文物管理委员会常务委员、浙江省博物馆名誉馆长、中国书法家协会副主席、浙江省书法家协会主席、西泠印社社长、西泠书画院院长、浙江考古学会名誉会长等职。
其书法远宗汉魏，近取宋明，于钟繇、王羲之、欧阳询、颜真卿、苏轼、黄庭坚诸家，用力最勤，且能化古融今，形成自己的独特书风。兼擅篆、隶、行、草、楷诸书，所作榜书大字，雄浑刚健，气势磅礴。沙氏学问渊博，于语言文字、文史、考古、书法、篆刻等均深有研究。
沙孟海自幼爱好书法、篆刻。
1920年，毕业于浙江省立第四师范学校，先后任宁波屠姓、蔡姓的家庭教师，又一度执教鄞县（现鄞州区）梅墟求精小学，以所入养家，资助众弟求学。
1925年，赴沪进修能学社教书，后任教商务印书馆图文函授社。其间，从冯君木、陈屺怀学古文字学，从吴昌硕、马一浮等学书法篆刻，获益良多，书艺大进。章太炎主办的《华国月刊》多次刊载其金石文字，名声渐著。
1928年—1929年上半年，任职浙江省政府。
1929年夏，应聘任广州中山大学预科教授。
1931年春起，历任南京中央大学、教育部、交通部秘书。
1941年6月，在重庆经陈布雷推荐，在蒋介石侍从室二处任职，从事应酬笔墨文字，业余仍坚持书学研究。
1946年—1948年，应蒋介石请，参与编纂《武岭蒋氏宗谱》。
1949年春，躲避蒋介石等纠缠，拒去台湾。新中国成立后任浙江大学中文系教授。
1952年，任省文物管理委员会常务委员兼调查组组长。
1954年，兼任省博物馆历史部主任，擘划“浙江历史文物陈列”。
1963年，任浙江美术学院国画系书法科教授。
1979年，任西泠印社社长。尚任中国书法家协会名誉会长、浙江省博物馆名誉馆长、省文联委员等职。
1992年10月10日，因病医治无效，在杭州逝世，享年93岁。
30岁以前，沙孟海先生临写的碑帖有《集王圣教序》、《郑文公碑》、《张猛龙》等。这一阶段，可称为但求平正阶段。综观沙先生这一时期的书法作品，在为数不多的作品中，楷书作为先生书作的主要书体占据着首要地位，而其精工小楷尤甚多，这可能与当时所处的社会环境与文化环境有着重要关系。
进入中年以后，随着学养的日渐丰厚和阅历的渐次拓展。沙孟海先生多用功地关注字的“体势”和章法的“气势”。当然，原有精耕细作的楷书不是全然放弃，偶作楷书。譬如48岁所作《修能图书馆记》和50岁所作《叶君墓志铭》即是中年时期楷书的优秀作品，也是沙先生的得意之作。
进入1980年代以后，随着“新时期”文艺事业的复苏，沙孟海先生迎来了他书法艺术蓬勃向上的春天。这一时期，沙先生的创作进入一个鼎盛时期：“既能险绝，复归平正。”陈振濂先生在《沙孟海书法篆刻论》文中分析沙先生1980年代书风特征时说：“有意为之强调气势和刻意求全的强调技巧，逐渐地为炉火纯青地信手拈来所代替。一切犹豫、彷徨和偶有小获的喜悦，被一种更为大气的风度所淹没。”
著有《近三百年的书学》、《印学概述》、《浙江新石器时代文物图录》、《兰沙馆印式》、《印学史》、《沙孟海论书丛稿》、《沙孟海书法集》、《沙孟海写书谱》、《中国书法史图集》，并主编《中国新文艺大系·书法卷》等。
《沙孟海论书丛稿》
《沙孟海论艺》
《沙孟海先生日记写本两种》
《沙孟海写书谱》
《印学史》
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