沈向洋在微軟任職期間，主要負責領導微軟的人工智慧和微軟研究事業部（AI + Research）。這個部門在微軟的組織架構中地位重要，與Office事業部、Windows和設備事業部、以及雲端運算和企業事業部並列。他的職責在2019年由微軟技術長凱文·斯科特（Kevin Scott）接管。
沈向洋是微軟亞洲研究院（MSRA）的創辦成員之一，與李開復、洪小文等人一同從零開始建立這個機構。MSRA迅速發展成為亞洲頂尖的科研機構，吸引了包括張亞勤、張宏江、李江、王堅等人才。沈向洋在MSRA主導與多所中國高校合作建立了聯合實驗室，並推出了微軟學者獎學金和微軟創新人才學院等人才鼓勵項目，對中國電腦科研人才的培養做出了重要貢獻。
在推進微軟研究系統發展的同時，沈向洋也為Bing業務部門的發展帶來了重要幫助。他負責Bing搜索、廣告、新聞等業務，並從這個搜索引擎和知識系統中發展出通用聊天機器人小冰。微軟CEO薩蒂亞·納德拉評價沈向洋在微軟的第二個生涯是打造了強有力的Bing搜索業務，為微軟的雲端運算和人工智慧平台構建了堅實的基礎。
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