刘沈，字道真，是燕国
蓟县人，其家族世代是北方地区的望族。刘沈年轻时便在州郡中做官，为人博学好古。后来受到太保
卫瓘征用为掾，兼领本邑大中正。刘沈笃信儒道，爱惜贤能，推荐
霍原为二品官吏，以及替张华申冤昭雪，表奏都写得辞旨明峻，受到当时人的称赞。
齐王
司马冏辅政时，引荐刘沈担任左长史，后来升任侍中。
太安二年（303年），当时
李流在蜀地叛乱，晋惠帝
司马衷下诏命令刘沈以侍中、假节的身份，统领益州刺史
罗尚、梁州刺史许雄等人的军队，前往讨伐李流。刘沈行军路过长安，河间王
司马颙请求留下刘沈担任自己的军师，并派席薳代替他统军。后来，刘沈兼任雍州刺史。
不久，义阳蛮人
张昌起兵作乱，晋惠帝诏令司马颙派刘沈带领一万州兵，加上在西府征发的五千人，从蓝田关出兵讨伐张昌，司马颙不听诏令。刘沈于是自己带领州兵到蓝田，司马颙又强行剥夺他的部众。长沙王
司马乂命令刘沈带武吏四百人返回雍州。
太安二年（303年）十一月，
张方逼近京都，朝廷军队屡次战败，
王瑚、
祖逖对司马乂说：“刘沈忠诚正义、果断坚毅，雍州的兵力足以对付河间王司马颙，应当启奏皇上给刘沈下诏书，派他出兵袭击司马颙。司马颙一旦窘迫紧急，一定要召回张方去救援自己，这是很好的计策。“司马乂于是听从他们的建议，上奏晋惠帝，派刘沈讨伐司马颙。刘沈接到诏书后，用快马向辖境内各郡发布檄文，各郡大多起兵响应。刘沈集合七郡兵众以及守防诸军、御敌兵士一万多人，以安定太守卫博、新平太守
张光、安定功曹皇甫澹作为先锋，袭击长安。
永兴元年（304年）正月，当时司马颙在郏县的高平亭停兵驻扎，作为东军的声援部队，听说刘沈的军队进攻，就回到渭城镇守，派督护虞夔率领步兵、骑兵一万余人在好峙县迎战刘沈。虞夔的军队战败，司马颙恐惧不安，退入长安，急忙召张方回来。
刘沈渡过
渭水驻军，与司马颙交战，司马颙连连失败。刘沈乘胜进军，派皇甫澹、卫博带五千精兵袭击长安，攻入长安城门，奋力战斗，直至司马颙的军帐前。刘沈自己带的兵来迟，司马颙部下见皇甫澹等没有后继援兵，士气倍增。冯翊太守
张辅率领众兵援救司马颙，拦腰截击皇甫澹的军队，大战于府门，卫博父子都战死，皇甫澹被生擒。司马颙欣赏皇甫澹的壮勇，准备留他活命。皇甫澹并不因此而屈服，于是被杀。刘沈的军队就败退下来，刘沈率领其余的士卒在原来的营地驻防。张方派遣他的部将敦伟趁夜攻打刘沈，刘沈的军队惊慌而溃散，刘沈与部下一百多人向南逃跑，途中遭陈仓县令抓获（《资治通鉴》则记载是敦伟的追兵抓获）。刘沈对司马颙说：“朋友知己之间的恩惠微小，君臣之间的恩义重大，我不能违反天子的诏令，衡量势力的强弱来苟全性命。我在挥袖行动的时候，就预料到性命一定保不住，因此剁成肉酱的酷刑，对我来说如同品尝荠菜一样甘甜。”刘沈辞义慷慨，见到的人无不为之哀痛。司马颙发怒，鞭打刘沈一番之后，将其腰斩。