孙沔，字元规，越州会稽人。中进士第，补赵州司理参军。跌荡自放，不守士节，然材猛过人。后以秘书丞为监察御史里行。
景祐元年，礼院奏用冬至日册后，沔奏："丧未祥禫而行嘉礼，非制也。"同安县尉李安世上书指切朝政，被劾，沔奏："加罪安世，恐杜天下言者，请勿治。"黜知衡山县。道上书言时事，再贬永州监酒。移通判潭州、知处州。复为监察御史，再知楚州。所在皆著能迹。召为左正言，论事益有直名。迁尚书工部员外郎，提举两浙刑狱，遂以起居舍人为陕西转运使。
时宰相吕夷简求罢，仁宗优诏弗许。沔上书言："自夷简当国，黜忠言，废直道，及以使相出镇许昌，乃荐王随、陈尧叟代己。才庸负重，谋议不协，忿争中堂，取笑多士，政事寝废。又以张士逊冠台席，士逊本乏远识，至隳国事。盖夷简不进贤为社稷远图，但引不若己者为自固之计，欲使陛下知辅相之位非己不可，冀复思己而召用也。陛下果召夷简还，自大名入秉朝政，于兹三年，不更一事。以姑息为安，以避谤为智。西州将帅累以败闻，契丹无厌，乘此求赂。兵歼货悖，天下空竭，刺史牧守，十不得一。法令变易，士民怨嗟，隆盛之基，忽至于此。今夷简以病求退，陛下手和御药，亲写德音，乃谓'恨不移卿之疾在于朕躬'，四方义士传闻诏语，有泣下者。夷简在中书二十年，三冠辅相，所言无不听，所请无不行，有宋得君，一人而已，未知何以为陛下报？天下皆称贤而陛下不用者，左右毁之也；皆谓憸邪而陛下不知者，朋党蔽之也。比契丹复盟，西夏款塞，公卿忻忻，日望和平。若因此振纪纲，修废坠，选贤任能，节用养兵，则景德、祥符之风，复见于今矣。若恬然不顾，遂以为安，臣恐土崩瓦解，不可复救。而夷简意谓四方已宁，百度已正，欲因病默默而去，无一言启沃上心，别白贤不肖，虽尽南山之竹，不足书其罪也。"
书闻，帝不之罪，议者喜其謇切。居两月，以天章阁待制为都转运使，又迁礼部郎中，为环庆路都总管、安抚经略使、知庆州。元昊死，诸将欲乘其隙，大举灭之。沔曰："乘危伐丧，非中国体。"三司所给特支，物恶而估高，军士有语，优人因戏及之。沔曰："此朝廷特赐，何敢妄言动众！"命斩之徇。将佐争言："此特戏尔，不足深罪也。"沔徐呼还，杖脊配岭南，谓之曰："汝赖戏我前，即私议动众，汝必死，而告者超迁矣。"明日，给特支，士无敢欢者。
历知陕州、河东都转运使，又知庆州，聚战亡遗骸葬祭之，军中感泣。凡三知庆州，边人服其能。迁龙图阁直学士，又迁枢密直学士、知成都府，未至，以母丧罢。服除，为陕西都转运使。求知明州，会京东多盗，乃以知徐州，明购赏，严诛罚，盗遂止。
徙秦州，时侬智高反，沔入见，帝以秦事勉之。对曰："臣虽老，然秦州不足烦圣虑，陛下当以岭南为忧也。臣睹贼势方张，官军朝夕当有败奏。"明日，闻蒋偕死，帝谕执政曰："南事诚如沔所料。"宰相庞籍奏遣沔行，以为湖南、江西路安抚使，以便宜从事，加广南东、西路安抚使。沔请益发骑兵，且增选偏裨二十八人，求武库精甲五千。参知政事梁适折之曰："毋张皇！"沔曰："前日惟亡备，故至此。今指期灭贼，非可以侥幸胜，乃欲示镇静耶？夫实备不至而貌为镇静，危亡之道也。"居二日，促行，才与兵七百。沔忧贼度岭而北，乃檄湖南、北曰："大兵且至，其缮治营垒，多具宴犒。"贼疑不敢北侵。会遣狄青为宣抚使，沔与青会。青与智高遇，战归仁铺，智高败走。青还，沔留治后事，迁给事中。及还，帝问劳，解御带赐之，以知杭州。至南京，召为枢密副使。
张贵妃薨，追册为皇后，命沔读册。故事，正后，翰林学士读册。沔既陈不可用宰相护葬，且曰："陛下若以臣沔读册则可，以枢密副使读册则不可。"遂求罢职。以资政殿学士知杭州。迁大学士，徙知青州。又迁观文殿学士、知并州。而谏官吴及、御史沈起奏沔淫纵无检，守杭及并所为不法，乃徙寿州。
诏按其迹，而使者奏："沔在处州时，于游人中见白牡丹者，遂诱与奸。及在杭州，尝从萧山民郑旻市纱，旻高其直，沔为恨。会旻贸纱有隐而不税者，事觉，沔取其家簿记，积计不税者几万端，配隶旻他州。州人许明有大珠百，沔妻弟边珣以钱三万三千强市之。沔爱明所藏郭虔晖画《鹰图》，明不以献。初，明父祷水仙大王庙生明，故幼名'大王儿'。沔即捕按明僣称王，取其画鹰，刺配之。及沔罢去，明诣提点刑狱，断一臂自讼，乃得释。杭州人金氏女，沔白昼使吏卒舆致，乱之。有赵氏女已许嫁莘旦，沔见西湖上，遂设计取赵女至州宅，与饮食卧起。所刺配人以百数，及罢，盗其按去，后有诉冤者多以无按，不能自解。在并州，私役使吏卒，往来青州、麟州市卖纱、绢、绵、纸、药物。官庭列大梃，或以暴怒击诉事者，尝剔取盗足后筋，断之。"奏至，乃责宁国节度副使，监司坐失察，皆被绌。其后复光禄卿，分司南京，居宿州。会恩，知濠州，以尚书礼部侍郎致仕。