蔡沈遵循父命與朱熹囑咐，在建陽崇泰裏（今莒口鄉）廬峰山麓建大明堂（即廬峰精舍），寒窗夜燈，潛心著述，十載著成《洪範皇極內篇》、《尚書集傳》。此二書均進入四庫全書。《洪範皇極內篇》是以81個洪範疇數，論述天地陰陽理氣體用，動靜以至自然界動植物的變化等問題。《書集傳》是受朱子之托而著，化十年功夫，用簡明的文字詮釋經曲以得帝王謨誥之旨。與朱熹的《周易本義》、《詩集傳》胡安國的《春秋傳》等書並列為官書，為科舉所依據，成為元、明、清三代人士必讀課本。
他還與兄蔡淵壹道將祖上所遺武夷山牧堂加以修繕擴建，名為“南山書堂”，以為授徒論道、著述之所。因與武夷精舍相近，可與學友隨時往返，相互切磋。蔡沈遵父命在南山書堂著《洪範皇極》。在離書院不遠的壹曲儒巾石上，留下“千崖萬壑”題刻。紹定三年(1230)病逝，謚“文正”，真德秀為其撰墓誌銘，
蔡沈由於師教和家學的熏陶，理學修養甚深。創九峰學派，主要弟子有陳光祖、劉欽、何雲源及其子蔡模、蔡杭、蔡權等。 著有《書集傳》、《洪範皇極》、《蔡九峰筮法》等。蔡沈的《書集傳》是宋代《尚書》經學的代表作，是壹部“求聖賢之心”的求道著作。蔡沈特別維護傳道傳心的聖賢人物形象，尤其對《尚書》中占有重要篇幅的周公，通過辯疑、考訂、駁斥等方法來新釋周公事跡，再造了壹個符合儒家修齊治平理想聖人氣象、具有高尚政治道德的周公形象。