乡榜原名振宗）字翰宇，一字幼丹，侯官人。父廷枫，传在儒行。道光丁未成进士，选庶吉士，授编修。咸丰四年，改御史。时侍郎曾国藩帅师克武昌，有旨命署湖北巡抚；葆桢奏：曾某躬典水陆军，宜乘胜东征，不当羁以吏事。疏上，诏别简巡抚；文宗手敕报曰：『朝廷早见及此也』。葆桢以贼所过无不残破，疏请令州县吏主兵而责以战守；部格不行。五年，出知九江府。郡久沦于贼，国藩檄充营务处。六年，署广信府。当是时，江西列郡皆贼踞，会城外惟赣州及广信仅存；诏学使廉兆纶典信防，廉赴郡属之河口筹饷，以葆桢从。别贼杨辅清率党万余自吉安破新城、泸溪、金溪，连陷贵溪、弋阳，防军败溃，广信岌岌；葆桢兼程返郡，则城门洞开，官吏军民走且尽。妻林氏，故总督则徐女也；读书明大义，尽遣其子女仆婢，独坚留以俟葆桢。或绐之曰：『太守已避地崇安矣』。林氏曰：『吾夫不出此也』。语毕而葆桢至。总兵饶廷选领浙军驻玉山，闽人也；葆桢未归时，林氏作书乞援，饶许之，然恐无及。忽大雨骤涨，饶军登舟半日至。先是，贼谍至，巷无居人，归告其酋，谓此囊中物耳。贼亦避雨兴安，留一日；诘旦薄城，则旌斿遍树城上。贼气沮，斩谍者，悉锐围攻。游击赖高翔、毕定邦等启城决战，凡七捷，斩馘近千，贼遁。葆桢以此名闻天下。曾国藩以城守状上闻，谓军兴有年，郡县望风逃溃，惟沈某能独伸大义于天下云。七年，迁广饶九南兵备道，加按察使衔，留筦信防。贼数犯贵、弋，又从闽中出犯广丰、玉山，葆桢联络客兵击走之；贼围衢州数月，卒不敢犯。江境安仁马家村地险恶，奸民负固称乱，擅杀人，掳人口勒索，抗粮五载；葆桢帅练勇三百人讨之，匪党抗拒。县令以兵少阻勿行，不许；请济师，不许。卒夺其隘火数十家，村民縳首犯以献，立诛之，尽完逋赋；众始知有国法。而大吏忌之甚，遇事掣肘。葆桢以亲老乞养归，士民数千赴行省乞留。会有旨调廷选赣南总兵，接治信防；廷选故有造于信者，葆桢始得行。十年，诏葆桢仍管广信防务，寻补赣南兵备道，帮办江西全省团练；以亲老辞。
十一年冬，诏赴国藩安庆大营办理军务。同治元年正月，抵欧宁，奉旨超擢江西巡抚，即赴新任。行抵铅山，奉寄谕：『朕久闻沈葆桢德望冠时，才堪应变，是以超擢巡抚。又以其家有老亲，因择江西邻省授以疆寄，风土不殊，迎养亦近；谅不至仍以养亲渎请，朕亦必不能允也』。葆桢感激，驰莅任，疏陈俟大憝就戮，再申前请归养；奉批答，有「忠孝性成」之褒。当是时，杭州已失守，吴、越贼联为一气；曾国藩驻军皖南，军饷仰给于江西；左宗棠方为浙抚，由江规浙。而伪王李世贤、杨辅清等席方张之势，毕力犯江西，冀断皖、浙餫道。葆桢躬赴广信督防，教士民以坚壁清野，捐廉俸千金倡筑塞堡。贼党分途窜扰，葆桢利用湘人激厉主客各军，若江忠义之精捷营、刘典之克勇、道员席宝田之精毅营、督粮道段起之衡营、道员王文瑞之老湘营、王德榜之长左营、屈蟠张岳龄之平江营、知府王沐之继果营、参将韩进忠之韩字营、刘胜祥之祥字营、臬司刘于浔之水师并遵调遣，所向克捷。元、二两年，悍酋黄文金、李远继、古隆贤、赖裕新等以皖、浙乏食，分踞广、饶边境，先后为诸将所败。论者谓保固后路，俾江、浙两路并得蒇功，赣省之力也。当军务方殷，适有法兰西教堂被毁之狱，严旨诘问主名。葆桢疏称事由公愤，万众同心，有计推求，终无端绪；总由疆臣疏于防范所致，自请严加议处。并言若必慑以兵威，则背城借一，惟天所授，胜负何常。诏置不问，外夷亦无如何，而士林则感颂不置矣。
三年，江宁贼势蹙，分窜新城、南丰、建昌、抚州及德兴、乐平、玉山、弋阳等属；葆桢皆遣将击走之。六月，官军拔江宁，江军亦克崇仁、雩都，肃清广信府境。会江宁逸贼伪侍王李世贤、伪康王汪海洋等由湖州越广德，分道窜入江西；提督鲍超率所部来援，迭克金溪、南丰、新城。而伪佑王李远继、伪玕王洪仁玕、伪恤王洪仁政等拥伪幼主洪福瑱窜至广丰、铅山，迭为诸将所败；福瑱薙发潜逃，经席宝田追至石城之荒谷擒之。诏赏葆桢头品顶戴、一等轻车都尉；葆桢推功诸将，并以曾左二爵相济师协饷、始得转危为安，疏请收回成命，温谕不允。复以亲病求开缺，仍不允。四年，请假省亲；抵里，已丁母忧。抚江三载；虽处戈矛皇扰中，以谓乱源所导，由乎吏治不饬，故于严绳骄兵悍将外，惩猾吏尤力。中因筹饷事与曾国藩大有违言，至诏引廉蔺、寇贾故事和解之。初，国藩移军安庆时，与葆桢约厘捐均归大营，有事则分兵回救。既而江西寇四起，曾军益东；葆桢惧救不时至，上疏请留厘金养兵，诏许之。国藩滋怒，有与人书痛诋葆桢，存集中。
六年，在籍奉旨充总理船政大臣。船政之议发自宗棠，宗棠由闽督西征，谓非葆桢莫肩其任。疏辞不获，请俟服阕后出而任事；语在船政志中。居亡何，而有巡视台湾之役；语在外交志中。台地孤悬海外，旧设一府、三县、二厅，隶于台湾道；其台北生番，未入版图也。至是，葆桢乃请仿照江苏巡抚驻苏州例，令福建巡抚移驻台湾，兼