본관은 청송(靑松). 할아버지는 승지 심중량(沈仲良)이다. 1728년(영조 4) 이인좌(李麟佐)의 난에 연루되어 처형된 심성연(沈成衍)·심익연(沈益衍)의 동생이다.
1755년 2월에 나주의 벽서사건(壁書事件)을 수습하고, 3월에는 이미 처형된 김일경(金一鏡) 등에게 역률(逆律: 반역한 죄율)을 추시(追施)한 뒤 5월에 춘당대에서 토역정시(討逆庭試)를 개최하였는데, 이에 응시하여 답안지에 변서(變書)를 써내었다가 붙잡혔다.
취조 결과, 소론파 김일경의 잔당임이 밝혀졌다. 이에 심정연과 관련된 윤혜(尹惠)·강몽협(姜夢協)·유명두(柳明斗)·김도성(金道成)·김인제(金寅濟)·신치운(申致雲)·박사집(朴師緝) 등이 모두 처형됨으로써 소론파는 완전히 소멸되었다.