1997年，沙溢考取中国人民解放军艺术学院戏剧系，开始学习表演。
2001年，毕业后进入空军政治部话剧团。
2002年，沙溢参演了尚敬导演的军旅题材情景喜剧《炊事班的故事》，以活泼明快的表演让观众记住了他的2008年，沙溢出演由高希希执导的电视剧《
甜蜜蜜》，在剧中他扮演内敛稳重的韩阳。这个对爱情执着的好男人赢得了众多观众的支持，对沙溢的这次形象巨大的反差表演给予了肯定。
2010年，沙溢首次在《
青盲》出演一个颇显外表斯文、内心复杂残忍的反派角色徐行良。由于入戏太深，沙溢坦言自己拍摄完《青盲》后好长一段时间变得易怒。电视剧播出后，观众对徐行良的痛恨，也说明了观众对沙溢的反派形象的塑造能力表示认可。
2010年，电影版《
武林外传》开拍，原班演员人马联袂出演，沙溢在影片中首次尝试高难度动作戏。在电影2011年，沙溢在《
血战长空》中饰演空军青年军官刘长岭，这一角色依据空战英雄原型改编而来，不仅有着浓烈的传奇色彩，更以满腔爱国之情令人折服。为了更真实的还原历史，沙溢不仅在进组前认真查阅历史，更是为了该剧放弃了自己的新婚蜜月期。将一个以生命捍卫国土的骁勇军人，又有着凄美爱情的人物演绎的淋漓尽致，令观众入戏之深以至于在落幕之后久久不能抽离。
2011年1月22日，沙溢在央视春晚的舞台上不仅携妻子胡可跨界献唱《采茶舞曲》同时还表演了一出小品《荆柯刺秦》。2月6日，沙溢登央视元宵晚会，与李云迪两人进行钢琴与萨克斯合奏版的《
彩云追月》。同年8月，沙溢在陆川导演历史悬疑大片《
王的盛宴》中饰演萧何，因为萧何的老年妆在脸上贴了厚厚的几层假皮，还有大胡子，所以脸部的肌肉基本上动不了，只能靠用眼神替代表情传递内心戏出去。影片上映之后，有影评人指出，片中沙溢饰演的萧何是全片最大的惊喜，2013年，沙溢首次尝试谍战剧《
渗透》，沙溢颠覆性出演一个左右逢源油嘴滑舌又死皮赖脸的另类特工。该剧入围了第20届上海电视节白玉兰奖、第27届中国电视金鹰奖。同年，参演许鞍华导演的电影《
黄金时代》，饰演东北作家舒群。
2014年，沙溢加盟央视一套中国首档即兴喜剧真人秀节目《喜乐街》，其独特新颖的节目形式，备受社会各界好评，同时也吸引了大批观众粉丝的喜爱和追捧。同年4月，沙溢主演徐纪周执导的《秀才遇到兵》，沙溢饰演的村炮大兵马三炮，搞怪耍宝两不误，卖萌搞笑样样在行。9月，参演李玉执导的电影《
万物生长》饰演“不靠谱”白老师。11月主演电视剧《
熊爸熊孩子》，饰演“两耳不闻家务事，一心只做精英男”的熊雄。
2015年2月18日，参加2015年中央电视台春节联欢晚会表演小品《喜乐街》。3月5日，沙溢在中央电视台元宵晚会上演唱《那些花儿》。2015年5月，沙溢参演大型年代传奇励志电视剧《东方球王》，出演剧中男一号李耀华，演绎一代球王的传奇一生。9月，拍摄抗战题材电视剧《
政委》，饰演原东北抗联团长老邱。
