1994年以来，沈树忠多次进入西藏进行大量野外工作，建立以藏南为代表的冈瓦纳北缘二叠-三叠纪之交连续的生物、地化和岩石地层序列，改变了该区缺失中、上二叠统的传统认识。通过藏南与雅鲁藏布江缝合带的动物群的比较，提出雅鲁藏布江缝合带外来体和拉萨地块二叠纪地层和动物群与冈瓦纳大陆北缘有本质区别，新特提斯洋在中二叠世业已形成等观点，对认识古特提斯洋的古地理演化有重要意义。在系统古生物研究方面，沈树忠深入研究了十多个国家的腕足类和牙形类动物群。带领团队建立石炭纪-三叠纪全球腕足动物数据库，创建全球生物古地理和多样性演变模式，使其成为判断该时段地体古地理位置和古海道开闭时间以及海洋底栖生态系统演变依据，提出前乐平世事件与当时全球大海退造成的大规模栖息地减少相关等新认识。在二叠纪生物大灭绝研究中，沈树忠与团队成员和国际同行一起共同开展高精度综合年代地层框架、生物多样性定量分析和多种地化指标等研究，论证二叠纪末海陆生物大灭绝的同时性和瞬时性，指出大规模岩浆活动造成地表环境的巨变是导致该生物大灭绝的主因。相关成果在Science、PNAS、EPSL等刊物发表后，引起中国国内外同行的关注。发表在Science上的成果入选《2012年度中国科学十大进展》，相关内容被编入美国大学教材等。2006年起，沈树忠领导国际乐平统工作组，与国际同行进行合作，开展多门类生物地层、化学地层和高精度测年等综合交叉合作研究，使二叠系-三叠系之交的综合年代地层框架精度得到提高。南京大学教授樊隽轩，中国科学院院士、南京大学教授沈树忠等在《科学》杂志发表了题为《寒武纪至早三叠世高分辨率海洋生物多样性演化》的论文。该研究利用古生物大数据、超算和遗传算法等全新的方法和手段，基于化石记录重现了生命演化历史，改变了当前对古生代海洋生物多样性演化的认知。2022年5月，以中国科学院院士沈树忠为首的科研团队完成的二叠系瓜达鲁普统卡匹敦阶（Capitanian）底界全球标准层型剖面和点位（俗称“金钉子”）研究成果，在国际地质科学联合会的官方刊物Episodes在线发表。