1996年，任上海儿童医学中心研究员、副院长、常务副院长。1998年，任上海第二医科大学附属新华医院副院长、上海儿童医学中心院长。2001年，任上海第二医科大学附属新华医院院长、上海儿童医学中心院长。2003年，任上海第二医科大学校长。2005年，任上海交通大学常务副校长、医学院院长。2006年，任上海市科教工作党委副书记，上海市教育委员会主任。2008年1月，45岁的沈晓明任上海市人民政府副市长，晋升副部级。2009年6月，任上海市副市长、市红十字会会长。2010年6月，任上海市副市长、市红十字会会长