沈家骢主要从事高分子化学与聚合反应动力学，超分子化学与层状膜组装的研究，运用模型与概率函数建立了聚合反应机理与分子量分布的定量关系；将链段按分子模型处理建立较完整的共聚反应统计理论。用顺磁共振研究了本体聚合中自由基的浓度与结构的变化，提出了扩散控制图像，为聚合反应工程提供了一定的理论依据。开发了JD系列光学塑料。研究了微凝胶为核的星形共聚物，并制成了纳米级高分子微粒及“浮萍”、倒“浮萍”型的超薄膜。发展了以正负离子相吸的分子沉积膜，可作为光电信息材料及器件的基材。以分子识别为基础，开展了多酶组装体等超分子化学领域的研究。于1998年、2001年与2004年主持三届超分子国际香山会议以推动中国国内超分子化学的发展。