본관은 청송(靑松). 자는 학이(學而), 호는 남파(南坡). 아버지는 병조판서 심충겸(沈忠謙)이며, 어머니는 연일정씨(延日鄭氏)로 첨지중추부사 정숙(鄭橚)의 딸이다. 부사 심예겸(沈禮謙)에게 입양되었다.
1589년(선조 22) 진사시에 합격하고, 1593년 별시문과에 병과로 급제, 예문관 검열에 기용되었다. 뒤에 성균관전적 등 삼사의 요직을 역임하고 경기도 · 황해도 · 경상도 · 함경도의 관찰사를 지냈다.
1623년 호조판서로 승진하였으며, 1638년(인조 16) 염철사(鹽鐵使)가 되어 중국 심양(瀋陽)에 가서 물물교환을 하였고, 그 뒤 강화유수 · 충청도관찰사 · 판중추부사 · 우상 · 좌상 · 영상 등을 역임하였다.
심열은 관직에 있으면서 탁지(度支, 국가의 재정을 담당한 관청. 호조의 별칭.)에 대한 뛰어난 경륜으로 왕의 총애를 받았다. 또한, 시와 글씨에도 능하였는데, 특히 시는 심오전아(深奧典雅)하면서 호상활달(豪爽豁達)하였다. 시호는 충정(忠靖)이며, 저서로는 『남파상국집(南坡相國集)』 6권이 있다.