王沛少时勇敢果断，深受陈许节度使上官涚的器重，上官涚把女儿嫁给王沛为妻，并让王沛担任
牙门将。
贞元十九年（803年）六月，上官涚去世，上官涚的另一位女婿田偁准备胁迫上官涚的儿子，接管军中大政。但田偁畏惧监军不顺从，便埋伏士兵图谋杀死监军。王沛得知田偁的谋划后，便将此事报告监军范日用，讨伐并擒获田偁及其同党。唐德宗
李适赞赏王沛，授
行军司马。
贞元十九年（803年）六月十六日，唐德宗任命陈许行军司马
刘昌裔为陈许节度使。刘昌裔继任陈许节度使后，奏报朝廷任命王沛为
监察御史，唐德宗下诏命王沛护送上官涚的灵柩回京城。唐德宗召见时感到惋惜，认为他的功勋突出，嫌刘昌裔请求任命的官职小，对王沛说：“我认为很不够，你回去吧，我将让他另外奏报。”王沛还没回到许州，便授任
开府仪同三司，兼任
御史中丞。
元和十二年（817年），当时
吴元济已反叛朝廷数年，忠武军节度使
李光颜奉命率军前往讨伐吴元济，赞赏王沛的节操，于是任命他为行营兵马使。同年三月，李光颜派王沛率领精兵单独在近郊扎营，多次打败叛军建功。当时唐军与叛军隔着
溵水驻扎下来，唐德宗下令催促进攻，唐军的各支军队相互踌躇观望，没有哪支军队有胆量渡过溵水。王沛率领五千兵马趁夜率先渡过溵水，占领叛军的要害地点，筑城据守。于是，河阳、宣武、河东、魏博等军队都一个接着一个地渡过
溵水，进逼
郾城。王沛首先修筑营垒和叛军对抗，叛军将领邓怀金率众前来投降。同年，吴元济的叛乱平定，王沛跟随李光颜入朝，李光颜陈述王沛的功劳，朝廷加任他为
御史大夫。
王沛后来跟随
李光颜平定淄青
李师道之乱。李光颜镇守
邠宁时，朝廷诏命派出部分许州军队前往守卫，任命王沛为都将。王沛曾援救
盐州，打败
吐蕃，因功升任宁州刺史。后调任陈州
刺史。
长庆四年（824年），
李絺（一作李騕）反叛，王沛以忠武节度副使的身份率军讨伐李絺。同年，李絺叛乱平定，王沛加任检校右散骑常侍，调任兖海沂密节度使等。当时刚设节度府，当地人很蛮横。王沛公开宣布法规制度，及时选拔任命官员，军政治理得很好。宝历元年（825年），调任检校工部尚书，充任忠武军节度使、陈许蔡观察使等。大和元年（827年）四月，王沛卒于任上，追赠尚书右仆射。
《
旧唐书》：①“少勇决。”；②“王沛之擒僚婿，
李祐之执贼渠，皆因事立功，转祸为福。智则智矣，仁者不为！”