沈炳垣为道光二十五年（1845年）乙巳恩科二甲进士，选庶吉士，散馆授翰林院编修。迁中允。咸丰四年（1854年）出督广西学政。广西自洪秀全起事之后，反清起事蜂起。沈炳垣到任后，即与巡抚劳崇光商议对策，深得劳崇光器重。咸丰七年（1857年），天地会起事领袖陈开部连攻南宁，又陷浔州。沈炳垣来到梧州，率知府陈瑞枝等固守。八月，城破，沈炳垣服药自尽不成，被敌军囚禁，求死不能。后来，他伺机给巡抚刘长佑密信，请其出兵来袭，密约城内民众夹击，结果事情败露，被剐。咸丰八年（1858年）八月，清朝政府追赠沈炳垣内阁学士兼