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。
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。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，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。
李絺反叛，王沛以忠武节度副使的身份率军讨伐李絺，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、观察使等。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，军队和地方治理得很好。调任检校工部尚书，充任忠武军节度使、陈许蔡观察使等，卒于任上，追赠尚书右仆射。
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