沈懋学之父沈宠，是嘉靖年举人，官侍御史时，当地百姓不懂纺织，沈宠便购买机杼请人教他们。累官至广西参政，颇有政绩。知府罗汝芳创建讲会，曾聘其为主讲多年。
沈懋学性格豪爽，风骨奇矫。工隶书、草书，又好骑射及诗歌古文辞。少负侠气，曾多次往来于边塞，每次纵论时事，人多奇之。沈懋学慷慨有大志，曾题诗《凤凰台》“丈夫意气何相若，万里风云指顾中。”廷对策试卷中有处其始必厚其终，循其名当责其实”语。当时神宗励精图治，看了他的试卷后对辅臣说“此二语即可作状元”。遂亲擢沈懋学第一甲第一名。
据传，当时张居正欲使其子张嗣修进入鼎甲，派人访求名士为陪衬，遂看中沈懋学与汤显祖，并以鼎甲相许。汤显祖不为所动而沈懋学却与张嗣修一同登第。
沈懋学大魁天下后，授翰林修撰。曾应诏上《赋宣元兔图》诗，受到神宗的赞许，赐他御书“谨言行，明礼义”六个大字。不久，张居正“夺情”。沈懋学连写三封信给同榜榜眼张嗣修，让他规劝其父张居正，张嗣修未予理睬。沈懋学便与好友吴中行、赵用贤相约各自上章疏论。吴中行、赵用贤的奏章率先递上，结果被廷杖，沈懋学闻知后急持奏章上交朝廷，其中有“元辅之去留为天常所系，言官之忠佞为国是所关。臣观某等所言，实在是不忍陷张居正于不孝，陷言官于不忠。今天皇上您赫然震怒，摧折直臣正士之气，异日虽有良谋至计，谁肯为陛下言事？”言语切直诚恳，但被人扣住未递上去。后吴中行、赵用贤下狱，沈懋学多方设法上疏营救，均未奏效，便愤而称病辞官。
在家乡，沈懋学筑书室于溪流之中，每日读书吟诵，访名士，论诗文，遍游名胜。曾写《羡农家》诗“结束学农家，功名等战蜗。三春无一事，锄地种兰花。”万历二十四年（1596），不幸赍志而殁，享年57岁。
有记载说，沈懋学辞官回家后“扁舟野服，放浪于西湖苕霅（zhá水名）之间，登白岳，憩九华，或痛饮歌诗，挟声伎，自污数年。”张居正得知沈状元的状况后，也曾颇为后悔，想恢复他的官职，没想到沈懋学竟一病不起。
也有记载说，沈懋学曾因上疏劝谏张居正而受到廷杖，他与其他罢官的大臣写诗相送，诗言莫厌清时见遂臣，主恩深处五湖春。烟霞耐可丹心老，雪晓惊堪白发新。愧杀虚名成画虎，愁来吾道继书麟。独醒未许渔人笑，归去花溪共钓纶。
福王时（1644）追谥文节。
著有《郊居稿》六卷。
