98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。2013年11月14日，他接替克瑞格·蒙迪，担任微软全球执行副总裁，直接向微软首席执行官史蒂夫·鲍尔默汇报工作，负责帮助微软确立技术上的发展方向，并领导微软研究部的工作。鲍尔默表示，沈向洋将在推动前瞻性研究、计算机前沿科学方面发挥作用，并推进重要技术的发展。2019年11月14日，沈向洋