中国科学院沈阳分院是中国科学院的派出机构,负责联络和协调中国科学院在辽宁省和山东省的研究所。沈阳分院的前身是1951年成立的中国科学院东北分院，负责管理中国科学院驻东北的工业化学研究所等8个科研单位。1954年8月东北分院撤销，所属研究所归中国科学院直接领导。1958年12月，成立中国科学院辽宁分院，负责管理中国科学院在辽宁地区和地方的科研机构。1961年8月辽宁分院撤销，所属科研机构划归辽宁省科委领导。1962年10月恢复中国科学院东北分院，负责管理中国科学院在东北的科研单位。1970年8月东北分院撤销，所属单位归地方领导。1978年5月中央批准恢复成立中国科学院沈阳分院。
沈阳分院系统现有7个法人研究所：在辽宁省的大连化学物理研究所、金属研究所、沈阳应用生态研究所、沈阳自动化研究所，在山东省的海洋研究所、青岛生物能源与过程研究所、烟台海岸带研究所。沈阳分院主要负责研究所的领导班子建设和科研成果向地方的转移转化工作（院地合作工作），此外，还负责联系中国科学院国有资产经营有限责任公司所属的沈阳计算技术研究所有限公司和沈阳科学仪器研制中心有限公司（转制公司）的党建与创新文化和院地合作工作。
沈阳分院系统各研究所（转制公司）拥有国家级重点实验室6个、国家工程中心10个，主要研究领域以技术科学和资源环境科学为主，包括化学与化工技术、材料科学与工程、工业控制与自动化、机器人技术、计算机应用与信息技术、数控技术、生物技术、能源科学与技术、农业技术、海洋技术、环境科学与工程、生态工程与环保技术等。
沈阳分院一直把为研究所的改革与发展服务、促进研究所发展壮大作为分院的工作目标，在中国科学院与地方政府、企业之间充分发挥桥梁与纽带作用，大力推进产研联合和企业的技术进步。中国科学院与辽宁省、沈阳市、大连市、山东省、青岛市分别签署了院地科技合作协议，沈阳分院与辽宁省铁岭市、营口市、盘锦市、抚顺市，山东省济南市、烟台市、临沂市、淄博市等签署了院地科技合作协议。以中国科学院沈阳国家技术转移中心、中国科学院山东综合技术转化中心等平台为依托，通过共建院企战略联盟和科技创新平台，服务辽宁和山东两省区域经济社会发展。
截至2015年底，沈阳分院系统拥有在职职工5001人，其中，专业技术人员4397人，高级研究人员2238人。在学研究生3470人，在站博士后380人，中国科学院院士17人，中国工程院院士9人。