1948年10月，随叶丽华赴美国波士顿艺术博物馆美术学院留学。在波士顿，常沙娜学习素描、透视、色彩、绘画、设计、人体解剖、美术史等，接受了西方系统的艺术和文化教育。

1950年，放弃在美国尚未完成的学业，提前回到中国。

1951年，破格在清华大学营建系做助教，跟随林徽因，对中国传统图案的继承、创新和在新时代的运用进行探索性研究。在林徽因的指导下，常沙娜开始将敦煌图案运用到现代生活所需的工艺美术设计中。

1952年，为在北京召开的“亚洲及太平洋区域和平会议”设计制作中华人民共和国第一块丝巾国礼。

1953年，全国院系大调整，营建系改为纯工科的建筑系，常沙娜被调至中央美术学院实用美术系。

1956年，任教于中央工艺美术学院（现清华大学美术学院），历任讲师、副教授、染织美术系副主任、副院长。

1959年，负责人民大会堂宴会厅天花板装饰系列设计任务。

1964年，加入中国共产党。

1982年，任中央工艺美术学院副院长；1983年—1998年，任中央工艺美术学院院长

1993年，在法国巴黎“BaTeau-Lavoiy”画廊举办“常沙娜在敦煌早期部分临摹作品展”。

1997年，主持并参加设计中央人民政府赠送香港特别行政区大型礼品雕塑《永远盛开的紫荆花》。

2001年，在中国美术馆举办“常沙娜艺术作品展”。

2004年，编绘出版《中国敦煌历代纹饰图案》。

2005年3月、2005年12月，在中央工艺美术学院原址和清华大学美术学院新址分别举办“中国敦煌历代装饰图案绘制整理原稿展”。

2006年6月，在香港理工大学举办“中国敦煌历代服饰及装饰图案绘制整理部分原稿展”。

2008年12月，常沙娜确诊患乳腺癌，并进行手术，把自己交给了医生。

2022年，与他人合作设计《中国共产主义青年团成立一百周年》纪念邮票一套2枚。

2024年2月9日，任艺术顾问的中国传统纹样创演秀《年锦》在“2024年中央广播电视总台春节联欢晚会”出演。

常沙娜出生于法国里昂索恩（Le Saône）河畔，她的父亲是中国现当代油画家、敦煌学家、艺术理论家常书鸿，常沙娜母亲的名字是陈芝秀。

1937年，常沙娜跟随父亲常书鸿，从生活优越的法国回到祖国。1943年11月，常沙娜和妈妈、弟弟嘉陵抵达敦煌莫高窟和常书鸿团聚。1945年，陈芝秀因无法忍受敦煌的艰苦，不辞而别，14岁的常沙娜为了照顾年幼的弟弟和爸爸，只得辍学，挑起生活的重担。

常沙娜的的丈夫是崔泰山，两人育有一个儿子——中央美术学院教授、室内建筑师崔冬晖。

常沙娜长期从事中国古代壁画及传统装饰图案的研究和临摹，在熟悉和擅长运用传统图案的同时，注重探索艺术的“源与流”的融合关系。常沙娜从大自然的花卉形态中，不断汲取丰富多样的、美的图案造型素材。绘录了大量“花”的形象，体察大自然赋予植物花卉美的神韵和情趣，从而形成她独有的风格和特色。

常沙娜的创作有“两个渊源”，“一个是传统，一个是自然”。传统来自敦煌传统文化的洗礼，而自然则是常沙娜的另一个艺术源泉。自20世纪70年代以来，常沙娜在大自然中采撷灵感，运用手中的线条和色彩描绘着充满生命力的花卉果实，并以此丰富艺术设计的审美体验。无论是田间地头朴实无华的花椒树、漏斗菜，还是工作之余写生的蝴蝶兰、康乃馨，甚至于不具名的、不起眼的小花，都是常沙娜钟情的素材。她能够在一草一木中感受到自然之美，并汲取其造型、色彩的美妙与灵动。花如其人，画亦如其人。她笔下的花草温婉幽雅，色彩淡雅平静，富有生命的韧性，从中看到敦煌传统艺术浸润下的绘画功底和画家的感受力与表现力。

常沙娜由敦煌艺术中的纹饰图案开启图案设计之路，把敦煌艺术图案与实用美术创作结合起来，为她早期工艺美术作品打下基础。常沙娜对敦煌壁画图案元素谙熟于心，她沉浸于敦煌艺术之中，追求敦煌图案元素在设计中的表现，创作出了既具有传统文化又符合当下发展的设计作品。常沙娜从绘画转向了工艺美术的道路，开始有意识地将敦煌纹样图案应用于设计创作中去。

常沙娜从敦煌艺术图案中汲取设计养分，应用于建筑装饰设计中，实现中国新时代的建筑和传统文化装饰的完美统一；常沙娜把敦煌图案运用到设计之中，从传统艺术中找寻灵感，助力新中国图案设计的发展，创新新中国建筑装饰设计的方式，形成了独特艺术设计风格。

常沙娜强调设计要继承传统，注重设计“源”与“流”的融合关系，创作具有民族文化和时代性相统一的作品。对常沙娜而言，敦煌艺术就是“源”，其结合敦煌艺术图案的装饰设计作品，源自中国数千年积累下的传统文化，丰富了装饰设计的多样性，有着经久不衰的独特魅力。人民大会堂的天顶花饰、门楣装饰、教堂玻璃……这些由常沙娜设计的国家建筑的装饰，以敦煌艺术图案为蓝本，凝聚了敦煌艺术的韵味，展示了中国古代具有民族特色和时代风格的艺术瑰宝。

常沙娜反复研究敦煌莫高窟各个朝代的石窟建筑特征、彩塑造型技巧，以及敦煌壁画中不同朝代的绘画风格,在此基础上，还把敦煌石窟的建筑装饰设计与西方和现代装饰设计进行比对，寻找其中差异，努力使敦煌艺术与现代装饰设计更好地结合起来。在发展新时代设计的背景下，常沙娜始终坚持继承传统文化，从传统图案出发，丰富装饰设计来源，做植根于中国本土的设计。

常沙娜的设计作品，无论是图案设计还是建筑装饰设计，都能从中看到敦煌的影子以及传统图案的形态。作为敦煌图案应用设计第一代开创者，常沙娜对弘扬敦煌艺术起到重要作用，她是首位将敦煌图案应用于图案设计、建筑装饰设计等领域的设计家，开辟了敦煌图案应用的新道路。常沙娜开创了设计应用敦煌艺术图案的先河，推动了敦煌艺术的研究应用。

“作为敦煌艺术的女儿，常沙娜以自己特殊的经历承载了敦煌艺术研究与现代艺术设计有机结合的时代之变。她设计的中国共产主义青年团团徽、人民大会堂外立面建筑装饰和宴会厅建筑装饰图案等，既具有新中国鲜明的时代精神、民族气派，也体现了她深厚的敦煌艺术传统的积淀，这些设计是烙印在人们心里的中国公共艺术形象。她潜心于中国现代艺术设计教育，倡导艺术设计的现代探索必须根植于中国民间艺术与传统美术，她著述或编著的《敦煌历代服饰图案》《敦煌藻井图案》和《敦煌壁画集》等，既是敦煌学研究的经典著作，也是中国现代艺术设计不可缺少的教科书。”（“中国文学艺术界联合会终身成就美术家”颁奖词）

“常沙娜是国际知名的敦煌艺术和艺术设计研究专家，也是当代富有开拓精神的工艺美术教育家。”（《清华人》评）

“‘一生择一事，一世倾芳华’。光阴太短，热爱太长。常沙娜为敦煌艺术保护和传承倾注毕生心血，敦煌艺术瑰宝传世，其惊艳之美也浸润着常沙娜每一寸岁月。网友形容她的皱纹里含有优雅与诗意，而沉静与从容、内敛与光彩，正是‘敦煌女儿’用热爱之笔绘出的锦绣光阴中最美纹样表情。”（央视新闻客户端评）