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。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、闫妮合作了尚敬导演，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》出演一个颇显外表斯文、内心复杂残忍的反派角色徐行良。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。 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。 为了更真实的还原历史，沙溢不仅在进组前认真查阅历史，更是为了该剧放弃了自己的新婚蜜月期。 将一个以生命捍卫国土的骁勇军人，又有着凄美爱情的人物演绎的淋漓尽致，令观众入戏之深以至于在落幕之后久久不能抽离 。2011年1月22日，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，沙溢加盟央视一套中国首档即兴喜剧真人秀节目《喜乐街》 ，其独特新颖的节目形式，备受社会各界好评，同时也吸引了大批观众粉丝的喜爱和追捧 。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，搞怪耍宝两不误，卖萌搞笑样样在行 。9月，参演李玉执导的电影《万物生长》饰演“不靠谱”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2月18日，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，沙溢参演大型年代传奇励志电视剧《东方球王》，出演剧中男一号李耀华，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月录制央视综艺节目《了不起的挑战》 。2016年1月，沙溢赴老挝西班牙拍摄综艺节目《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《李大宝的平凡岁月》，饰演从壮年到暮年的李大宝，年龄跨度近20年。 7月远赴捷克斯洛伐克参演电影《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）。