沈惟炳于万历四十四年（1616年）进士。授香河知县。

天启二年（1622年），因任上颇有政绩，升任刑部给事中。后转任吏科右给事中。

天启四年（1624年）冬，因得罪魏忠贤，被降一级调外任。

天启六年（1626年），他作为东林党人而被削籍。

崇祯元年（1628年），起复为刑科右给事中。后累迁至通政使。

崇祯十五年（1642年），由工部右侍郎转任吏部左侍郎。

崇祯十七年（1644年），李自成进京，沈惟炳曾被用二夹棍拷打追赃。清军入关后，沈惟炳被清廷录用为吏部左侍郎，仍掌部事。

顺治二年（1645年），经过沈惟炳屡次请求，清廷批准其致仕。