1966年出任中华民国驻澳大利亚大使。1968年回国任外交部次长，1971年出任驻美大使。1971年夏天，沈剑虹赴美就任中华民国驻美大使，并与时任美国国家安全顾问的基辛格见面，当时基辛格曾当面表示美国绝对会坚定地支持中华民国。然而，基辛格在同年访问巴基斯坦时，以腹痛为名取消原定的公开活动，暗中前往北京与周恩来会面，秘密推动中华人民共和国与美国的关系正常化，时任中华民国驻美大使的沈剑虹完全不知情。在同年10月的联合国大会中，通过了「2758号决议」：恢复中华人民共和国的一切权利，承认她的政府的代表为中国在