沈炼为人刚直，嫉恶如仇，每饮酒辄箕踞笑傲。以“十罪疏“(指专擅国事、贪污纳贿、卖官鬻爵、妒贤嫉能、箝制谏官等十大罪状)弹劾严嵩，被处以杖刑，谪居保安州为民。沈炼在塞外，却仍以詈骂严嵩父子为乐，严嵩得知大怒。嘉靖三十六年(1557年)，严世蕃遣巡按御史路楷和宣大总督杨顺设计诛除沈炼。恰逢白莲教教徒阎浩等人被捕，招供多名嫌犯，于是列上沈炼的名字。沈炼终因被诬为谋反而遭到杀害，两子同被害。隆庆初年，朝廷下诏，褒奖敢于言事者，特追赠沈炼光禄寺少卿，任用一子为官。天启初年，追谥忠愍。天下士人推崇其德，将他的作品汇编成《青霞集》。《明史》有传。
正德二年(1507年)，沈炼生于浙江会稽(今浙江绍兴)。幼聪敏能攻古文，汪文盛以提学副使校浙士，得其文惊绝，谓为异人，拔居第一，始补府学生。
嘉靖十年(1531年)，沈炼考中举人。
嘉靖十七年(1538年)，沈炼考中进士，先后出任溧阳、茌平、清丰县令。清廉爱民，政绩卓着。但因其不阿谀奉迎，而秉性耿直，每每龇龉权贵。锦衣卫缇帅陆炳听说沈炼有贤明的名声，就请吏部把他调到京城做锦衣卫经历。等沈炼到了以后，陆炳就用平等的礼节对待他。于是沈炼更加意气风发。他曾跟从陆炳到严府喝酒，看到严世蕃给不胜酒力的客人灌酒，就同样强灌严世蕃说:“我代客人回敬你。“严世蕃怀恨在心，但因忌惮陆炳不敢立刻加害沈炼。
嘉靖二十九年(1550年)冬，蒙古俺答军入侵，威逼京城。皇帝召集文武百官商议退敌之策，从早晨到中午没有一个人发言。退朝时，国子监司业赵贞吉一人大声说道:“臣以为天子应该拿出金银丝绸招募军队，亲自重赏勇猛之士，文武百官自会同心守城，敌人定会退兵。“锦衣卫经历沈炼极力支持赵贞吉的意见，并慷慨激昂地加以补充。吏部尚书夏邦贤斥责沈炼:“文武重臣没说话，你一个小小的官员瞎说什么?“沈炼说:“重臣不说话，所以小吏才更要挺身而出。“最终，朝廷采纳了他们主战不贡的建议。不久，敌军撤兵。
当时，北方边患十分严重，而又适逢内阁首辅严嵩擅权，瞒报军情。沈炼眼看大明江山将要灭亡，心急如焚，他在朋友家喝酒，感伤国事，当场写下奏疏，揭发严嵩父子的十大罪状，历数严党专擅国事，排斥异己，遍引私人居要地，吞没军饷，战备废弛，致东南倭患猖獗，北方俺答寇掠京畿等十几条罪状，要求严正典刑，借以纠正“人心纪纲，败坏难言“。沈炼以低微的职位与严嵩父子进行了不屈不挠的斗争，但他的慷慨正义却触怒了嘉靖皇帝。皇帝下诏说，沈炼去年在金殿吵闹，不注意作为人臣的礼仪，现在又想通过诬告诋毁大臣来获取名声，责令对他廷杖数十。最后，沈炼被廷杖后贬斥到塞外的保安州(今河北涿鹿)种田。
沈炼在保安种田，州城北关的一个商人主动腾出房屋让他居住，里长帮助沈炼解决柴米。沈炼同乡里人谈论些忠义大节之事，也写些壮怀激烈的诗篇。其中一篇《塞上感怀》这样写道:
沙塞黄花带雪开，谪臣中酒坐徘徊。
睢阳骂敌心偏壮，上国思君意未灰。
南北风尘常按剑，乾坤气序更含杯。
醉醒数把春秋看，还有程婴救赵来。
沈炼携妻挈子在保安(今河北涿鹿)五年多，虽沦落草野，而发愤抗疏之心犹耿耿不能忘焉。保安系边境地区，当时保安州所属的宣大(宣府镇、大同镇)总督为严嵩干儿子杨顺。他谎报战绩，放纵士兵杀良献首冒功请赏，沈炼获悉在杨顺的庆功宴上献诗一首:“杀良献首古来无，解道功成万骨枯。白草黄沙风雨狂，冤魂多少觅头颅“。杨顺忌恨不已。在保安，沈炼还以李林甫、秦桧、严嵩的像作靶，让人日日练射，这使严氏更加刻骨切齿，必欲置之死地而后快，遂密令杨顺等杀害沈炼。
嘉靖三十六年(1557年)，兵部侍郎、宣大总督杨顺与蒙古鞑靼部落交战，丢失城池40余座，杨顺却杀害一批躲避战争的无辜居民来谎报军功。沈炼访知此事，给杨顺寄去两首诗责问他，措辞十分严厉尖刻。杨顺即与巡察保安州的御史路楷商议，以白莲教的名义杀害沈炼。十月十七日，沈炼被害，享年五十一岁。
沈炼死后，杨顺还把沈炼的次子杖死，并派人前往浙江捉拿沈炼长子沈襄，捉拿后每日严刑拷打。后来给事中吴时来上疏揭发杨顺、路楷，皇上看后大怒，下令缉捕两人，释放沈襄。严嵩父子倒台后，穆宗隆庆元年(1567年)，朝廷为沈炼平反昭雪，追赠他为光禄少卿，并在保安卫(今怀来县新保安镇)西街为他建立了祠堂。追谥号忠愍。冯梦龙在《喻世明言》中以《沈小霞相会出师表》记述了沈炼的这段悲惨故事。
沈炼的侄儿沈京、孙子沈良卿和他们的后代一直留在保安州，求学成家立业。
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