1935年,从上海持志学院附中肄业。1938年,先后加入持志业余剧社、戏剧交谊社,开始接触话剧表演。1939年,参加新四军,先后在皖南新四军军部服务团、鲁迅艺术工作团担任演员。
1951年,与
舒适等合作执导剧情电影《鬼》;同年,与
朱石麟联合执导剧情电影《
误佳期》;此外,还担任了剧情电影《
花凤仙》的编剧。1952年,与
齐闻韶合作编写电影剧本《
一板之隔》;同年,因参加爱国民主运动而遭受迫害,被港英当局驱逐出境。1953年,执导由
王熙春、
徐立共同主演的剧情电影《生与死》。1954年,执导戏曲电影《
盖叫天的舞台艺术》。
1955年,由其执导的剧情电影《
南岛风云》上映,该片获得中国文化部优秀影片二等奖。1957年,白沉被错划为右派分子,后被安徽农村劳动教养。1962年,担任安徽省话剧团的演员、导演。在“文化大革命”中,又因对江青的倒行逆施表示了自己的看法,被打成“现成反革命”。
1979年,担任上海电影制片厂的导演。1980年,由其执导的剧情电影《
十天》上映。1984年,由其执导的剧情电影《
大桥下面》上映,该片入围第41届威尼斯国际电影节主竞赛单元,获得中国文化部优秀影片一等奖。1986年,执导由徐雷、
佟瑞敏、
雷汉联合主演的剧情电影《
秋天里的春天》,该片获得广电部优秀影片奖、上海首届文学艺术奖。
1988年,执导由
丁嘉元、
李祥春合作主演的电视剧《悠悠赤水河》。1990年,执导由刘新、
宋佳共同主演的剧情电影《落山风》,该片获得哈尔滨冰雪节优秀影片奖银杯奖。2002年11月5日,白沉逝世,享年81岁。