他前往美国的卡内基·梅隆大学深造，求学于计算机专家拉吉·瑞迪教授，并于1996年获得该校计算机科学学院机器人专业的博士学位。博士论文是世界上最早有关将照片转换成虚拟现实的研究。
事业.1996年，沈向洋由在微软的另一位华人科学家陆奇引荐，加入设于美国的微软研究院。1998年，设在北京的微软中国研究院（，后改名为微软亚洲研究院）成立时，他应院长李开复的要求前往加盟，并于2004年担任院长、首席科学家。2006年，他被评为微软公司杰出科学家。2007年，他成为微软必应产品开发部的副总裁