杨顺大怒，于是遣手下在严世蕃面前告状：”沈炼自被贬后，私下结交死士、习骑射；沈炼拔剑起舞，剑势有黄布如盖，从空飞来，其‘居心叵测’十分可疑！“严世蕃遂让巡按御史李凤毛负责追查。李凤毛看不惯奸相严嵩“结党营私”的行为，来了个“和稀泥”曰：“经查确有此事，然而沈炼已解散其党羽，建议此事就此作罢。”
严世蕃也不笨，听出李凤毛是在敷衍自己，于是将李凤毛罢官，用属于严嵩一党的路楷来代替李凤毛出任巡抚御史。严世蕃特地命路楷与杨顺共同合计陷害沈炼的事，还特地允诺事成之后，给他们丰厚的报酬。两人于是日夜合谋怎样陷害沈炼。
当时，蔚州（今蔚县）妖人阎浩等素来以白莲教惑众，出入漠北，泄边情为患。官军捕获阎浩，阎浩的供词牵连了很多人。杨顺眼珠一转，笑着对路楷曰：“阎浩的这件事，就是我们一直等待的，报答严公子的机会啊！”于是，杨顺与阎浩窜供，将沈炼的名字列在反贼名单中，诬告阎浩等拜沈炼为师，听其指挥，将沈炼关押入狱。杨顺兵分两路，一边派人给严嵩父子报信，一边向兵部上奏请求处斩沈炼。
沈炼知道自己这次是“在劫难逃“了，于是他给自己的儿子写了封遗书：《给子襄书》
范仲淹做秀才时，即以天下事自任。况今南北告警，旱魃连年，天变人灾，四方迭见，当此之时，不可为无事矣！汝等不能出一言，道一策，以为朝廷国家；只知寻章摘句，雍容于礼度之间，答谓责任不在于我。因循岁月，时至而不为，事失而胥溺，则汝等平生之所学者，更亦何益！南方风气秀拔，岂无雄俊才杰之士邪！吾愿汝亲之敬之。其阿庸无识之徒，愿汝疏之远之。
天降烈祸，殿廷灰烬，旬日之内，宫殿继烧。此乃贼臣擅权肆恶，以致阴阳失节，而祸固起于朝廷，土木大兴，而害则延于百姓矣。宣大臣僚，与敌通和，私相纳贿，无复人理。吾以中心耿郁，有事必直言于当道，彼等亦稍畏缩，但廊庙之中，欺君之计通行，而鬻官之声大震，不能不动汝父之忧耳。
严嵩父子得信后大喜，之前在宣大作总督的许论，此时执掌兵部，竟同意了杨顺的奏请；嘉靖三十六年九月沈炼被处斩于宣府，沈炼儿子沈襄被发配边关。可怜沈炼本是个文、武全能的难得才俊，竟然被奸党惨害而死，沈炼死前在《青霞集·卷十二》表明心迹曰：“夫庸将熏染成风，其心术大坏，譬如牙胥之不可责，其廉洁倡家之不可导，以死节也。诚能一朝议成着为宪令，举明忠义之道，风于四方，示之以利害。道之以悃诚。“
徐渭与沈炼感情最深，为了纪念沈炼，徐渭在《与诸士友祭沈君文》中写道：“主仁臣直，父忠子孝，所系纲常，岂直光曜，聚哭倾里，朗诵哀章，将以激懦，匪以悼亡“；后来徐渭为了抒发自己对沈炼思念、敬佩的感情，又亲自编排了《阴骂曹》，将严嵩代入成曹操、刚直敢言的弥衡则象征着沈炼。