氯黴素是20世紀40年代繼青黴素、鏈黴素、金黴素之後第四種應用於臨床的抗生素，對革蘭氏陰性菌和立克次體療效顯著。沈家楨和他的同事們以倉庫裏壹小瓶日本殖民時期遺留下來的對硝基甲苯為起始原料，在不到壹年的時間裏完成了十多個步驟的反應，開辟了氯黴素混合物的合成路線。
1952年3月8日，他接受了開發氯黴素工業生產的任務。他大膽制定了通過對硝基乙苯合成關鍵中間體對硝基苯乙酮的方案。首先，他們用苯和乙烯制成乙苯。而乙烯是由酒精脫水得到的，為了使酒精脫水，沈家祥指導工人自己制作催化劑，自己設計催化用的管式電爐。乙苯硝化後，分離鄰硝基和對硝基乙苯所用的減壓和離心的壹整套裝置也是沈家祥自己設計並繪制圖紙交給工廠生產的。由於采用了沈家祥設計的新型分餾裝置，分離效果極佳。但在得到對硝基乙苯單體後，將其氧化成對硝基苯乙酮的可行方法在當時還是個未知數。當第壹次放大分餾硝基乙苯時發生爆炸，他們並沒有因此退縮，而是通過分析研究，確定硝化過程中的酚類副產物是爆炸的原因，於是在蒸餾前加入堿水洗滌的措施，很快解決了問題。
從1952年4月開始，僅用了4個月的時間，就打通了這條新的工藝路線，得到了混旋氯黴素樣品，為下壹步順利生產氯黴素（合劑）奠定了基礎。從實際出發，他們決定不等光學異構體拆分工藝成熟，先將混旋物（療效為氯黴素的壹半）投入生產，並將其命名為 "合黴素"。沈家祥隨即負責設計建造了年產 6 噸的車間，並於 1955 年 4 月正式投產。壹種復雜化學合成方法的研制，從原料開始，包括建立新的氧化反應，到車間投產，整個過程只用了三年時間，這個速度應該說是罕見的。
1955年夏，他又對氯黴素的合成工藝進行了卓有成效的改造。在此期間，他們的研究成果相繼在《藥學雜誌》上發表。令人驚訝的是，這種生產氯黴素的新工藝（包括隨後的操作改進和提高）經受住了 30 多年的時間考驗，至今仍是世界上最具競爭力的生產工藝。
此外，在東北制藥總廠工作期間，他還組織和指導了環絲氨酸、滅蟻靈、乳清酸、甲苯磺酰丁基脲等多種新產品的研發工作。
類固醇激素的合成
1949年，在發現可的松具有強大的抗炎作用和黃體生成素具有口服抗排卵作用後，國際上掀起了合成副腎皮質激素和19-去甲腎上腺類固醇化合物的研究高潮。沈家祥帶領原化工部北京醫藥工業研究所的同事們進入了這壹嶄新的領域。首先，他請教了我國著名的有機化學家黃明龍教授。當時，黃先生提出的可的松七步合成法已在上海獲得成功。為此，沈家祥另辟蹊徑，重點研究氫化可的松的微生物合成。他們首先借鑒可的松七步合成法的經驗，簡化了Reichstein substance S半合成法；同時，又參與了與中國科學院微生物研究所的合作，尋找壹株能對11 β-羥基的梨狀頭黴菌，得到產率為40%的11 β羥基化產物，即氫化可的松，並將這壹成果迅速投放到中國天津。這壹成果很快在天津制藥廠投入生產。在這壹領域的另壹項重要成果是他領導合成了地塞米松。
1969年冬，他完成了18-甲基三烯醇酮全合成的大量工作。從 1973 年起，他負責前列腺素類似物 PGF2α 的全合成研究。