在加入上科大之前，曾任美国北卡罗来纳大学教堂山分校 (UNC-Chapel Hill) 放射学系、医学影像中心、计算机系、生物医学工程系终身教授，冠名杰出教授，影像信息中心主任，医学图像分析实验室 (IDEA Lab) 主任，医学影像中心 (BRIC) 图像分析平台主任，先后当选 IEEE/MICCAI/AIMBE/IAPR Fellow，发表论文1640余篇，H-index 134，引用7.7万余次；担任 Frontiers in Radiology 主编，八个国际期刊的现任编委，MICCAI 2019大会主席。在美国期间，从事机器学习、人工智能在医疗辅助诊断中的应用研究，包括早期脑发育和自闭症的诊断，老年痴呆症的早期诊断与预测，脑肿瘤的诊断、预后和放射治疗等。沈定刚教授是世界上最早开展医学影像人工智能研究的科学家之一，并最先将深度学习应用于脑发育、脑疾病的分析。