沈思孝，字纯父，浙江嘉兴人。隆庆二年(1568)进士。又过了三年，去吏部等候选派。高拱掌吏部，想留用他作为僚属，沈思孝极力推辞，于是授职番禺知县。殷天茂总管两广，想听从百姓与番人互市，而且开放海口诸山以征取税收，沈思孝坚持认为不可以。
万历初年，因卓有成绩，又成为刑部主事。张居正父亲去世不服丧，他与艾穆合作上疏提意见。廷杖后，被派去戍守神龟卫。张居正死后，官复原职，提为光禄少卿。执掌朝政的人讨厌李植、江东之和沈思孝等人。沈思孝升为太常少卿，御史龚仲庆奉承旨意诋毁他。沈思孝于是请求离职，皇上不允许。不久他升为顺天府尹，因宽恕冒名顶替的举人，降三级使用。沈思孝仍泰然自若穿着三品官的服饰，后被弹劾，调任南京太仆卿，仍旧降三级。没有多久，称病回家。
吏部尚书陆光祖起用他为南京光禄卿，不久提升为右佥都御史，巡抚陕西。宁夏継拜叛乱，皇上下诏令沈思孝移驻下马关，声援总督魏学曾。沈思孝认为兵力太少，请求在浙江、宣府、大同召募士兵各五千，发内府的钱供应军队，并乞求宽免前任都御史李材的过错，命令他立功赎罪。下诏让沈思孝就地召募，而罢免李材不派他去。沈思孝与魏学曾讨论军事时意见不合，给事中侯庆远弹劾沈思孝舍弃边境之地而在内地防守，布置兵力保卫他的妻子及家人，不管边境战事。改为河南巡抚，他推辞不就任。
不久，征召他为大理卿。中官郝金假传圣旨被逮捕入狱，刑部将他的罪减小，沈思孝上奏驳斥，认为应当处死。皇上很高兴，提拔他为工部左侍郎。陕西进贡羊毛织品祸害百姓，因沈思孝上奏，朝廷下令减去十分之四。升右都御史，协助办理马政。起初，朝政推荐李祯为首，沈思孝为副，皇上特地任用沈思孝。有人怀疑他有人帮忙，给事中杨东明、邹廷彦相继上疏反对，皇上认为邹廷彦受杨东明的指使，贬杨东明，停发邹廷彦的俸禄。
万历二十三年(1595)，吏部尚书孙丕扬掌管外任官吏考察，贬参政丁此吕。沈思孝与江东之平素与丁此吕很要好。恰好御史赵文炳弹劾文选郎蒋时馨受贿，蒋时馨怀疑是沈思孝唆使的，于是攻击沈思孝先庇护丁此吕，后想在吏部求职未成，因为这两件事他对时馨怀恨在心，遂与江东之、刘应秋等勾结，命令李三才属意赵文炳。皇上讨厌蒋时馨，罢了他的官。沈思孝等上疏辩解，而且请求离职。孙丕扬说蒋时馨没有罪，丁此吕受贿有证据，沈思孝不当庇护他。沈思孝于是将丁此吕的访单呈上，乞求回家。访单是吏部考察官吏时，咨询大家的意见以定贤否，朝廷大臣因此把所见所闻的写下来给掌管考察的官吏。事情大都符合事实，然而有时也有人中伤自己讨厌的人。皇帝下诏安慰、留任孙丕扬，逮捕丁此吕，责备沈思孝。御史俞价、强思、冯从吾，给事中黄运泰、祝世禄，都为蒋时馨伸冤，言语中触及到沈思孝、江东之。给事中杨天民、马经伦、马文卿又各自弹劾沈思孝，大抵上是说赵文炳的上疏是由沈思孝指使的，借以动摇孙丕扬的地位。沈思孝多次乞求罢官，同时抨击孙丕扬辜负了国家。员外郎岳元声说大臣互相攻击，应两方都罢官，好像是指责孙丕扬、沈思孝两人，其实是特地攻击蒋时馨和孙丕扬。奏疏刚上，赵文炳突然改变他的说法，说：“岳元声、江东之根据沈思孝的意思，强迫臣救丁此吕，弹劾蒋时馨，并不是我自己的意思。”皇上都置之不理。
沈思孝素以正直闻名天下，然而尚义气、好胜，动不动就得罪人。因为丁此吕的原因，很为廷臣议论了一阵。蒋时馨、丁此吕都不是堂堂正正的人，孙丕扬、沈思孝也各有所左右。第二年，御史林培请求辨明忠诚与邪恶，又极力诋毁沈思孝、江东之，并且说：“孙丕扬闭门半年，上了十次辞职的奏疏，意在一定要得到批准才停止。沈思孝则闭门没有多久，就见冯从吾、黄运泰等被罢官，说为了安慰我，罢免五六个言官，朝廷不难办到。此人不免职，将为害朝政。”皇上念及沈思孝的忠厚，贬了林培的官职。乾清宫发生火灾，沈思孝请求举行皇长子冠礼仪式以回答天意。又以日本封贡的事情失败，请求立即做战守准备，并且弹劾赵志皋、石星误国的罪行。这年秋天，孙丕扬离职，沈思孝也称病回乡，皇上下诏让他乘驿马归家，朝廷的议论才停止。过了很久，孙丕扬再次起用为吏部尚书，御史史记事再次诋毁沈思孝与顾天翪合谋想陷害孙丕扬。顾宪成、高攀龙极力证明他是被诬告，而沈思孝已经死了。天启中，沈思孝被赠为太子少保。