1931年12月上旬，沈鸿烈奉命率舰队抵达青岛，16日接任青岛市市长职务。
1931年12月16日，时年45岁的沈鸿烈被南京政府任命为青岛市代理市长。宣誓结束后，沈鸿烈当即宣布了十大施政纲领：
一.整顿吏治，修明内政；
二.厉行自治，充实民力；
三.禁绝恶习，改良风俗；
四.建设乡村，施惠贫民；
五.普及教育，以求实用；
六.提倡国货，优遇劳工；
七.发展区务，繁荣市场；
八.整顿军警，巩固治安；
九.慎重邦交，保护外侨；
十.力图建设，输入文明。 沈鸿烈在青岛执政6年。1932～1935年间，他抓教育、建学校、定规划，设立民众教育馆、职工补习学校、女子补习学校等，每年均增加必要的教育经费。注重抓市政建设，前后修建了大港三号码头、青岛船坞、青岛体育场、青岛市礼堂；扩建和修建了青岛栈桥、薛家岛码头、四川路海军栈桥、小港第二码头；拓宽了崂山的道路，加修了崂山里盘山梯子石阶；整修了市内主要交通道路。此外，还整修了西广场、马虎寓、脏土沟，设立了“救济院”、“习艺所”、“感化院”等。在其任内，沈鸿烈也忠实执行国民党中央反共亲日方针，多次破坏中共组织，逮捕共产党人，并镇压工人罢工与学生运动。为此，南京国民政府奖许青岛市为“全国模范市”称号。1936～1937年间，由于日本帝国主义意欲再度占领青岛，加之“西安事变”等缘故，沈鸿烈进退维谷疲于周旋。1937年6月，青岛成立保安处，沈鸿烈亲兼处长。“七七”事变后，青岛局势紧张。“8·14德县路事件”发生后不久，日商各工厂相继关闭，两万余名日侨陆续回国。10月1日，蒋介石任命沈鸿烈为青岛陆海军总指挥。12月4日，蒋介石电令沈鸿烈实行“焦土抗战”政策，伺机撤离青岛。12月18日，蒋介石再次电令沈鸿烈炸毁日商纱厂及其重要企业。12月25日，日本驻青总领事率员降旗回国。12月26日，日本海军封锁了青岛海面。12月28日24时，沈下令炸毁20多家日商工厂。12月31日拂晓，沈鸿烈带队撤离青岛。
沈鸿烈重视崂山旅游开发中的名人效应。他规定凡全国学术组织在青岛开会者，均由政府招待游览崂山。著名作家蹇先艾来青岛参加中华图书馆协会年会，对由政府出面组织的崂山旅游留下了深刻印象。沈鸿烈还广邀全国政界要人、社会名流来崂山游览观光。著名学者杨振声、梁实秋、沈从文等数次来崂。曾任南京国民政府交通部长、解放后任全国政协委员、北京中国画院副院长的著名书法家叶恭绰，应邀游崂山后为鱼鳞瀑题写“潮音瀑”三个大字，镌于崖上，从此这里称为“潮音瀑”，成为崂山胜景之一。
崂山旅游开发，经沈鸿烈的首倡，已初具规模。1937年7月，抗日战争爆发，崂山开发的步伐中止了。沈鸿烈带着遗憾惜别崂山，撤离了青岛。 反共的追随者
撤离青岛后不久，沈鸿烈当上了国民党山东省政府主席、山东省保安司令、山东省党部主任委员、鲁苏战区副司令。抗日战争初期，沈鸿烈与八路军及其他抗日革命力量的合作关系尚好，曾制定实施八条抗日施政方针。随着蒋介石反共不抵抗政策的加紧推行，沈鸿烈开始反共。1939年春，沈部秦启荣首先制造了“太和惨案”，破坏山东敌后抗日斗争。“皖南事变”之后，沈鸿烈公开打出“防共、限共、反共、剿共”的旗号。1941年冬，沈鸿烈调任国民政府农林部长。之后曾任过浙江省政府主席、国民党总统府国策顾问等职。1949年去台湾。1969年3月12日（又说卒年为1970年），沈鸿烈病逝于台湾台中市。著有《政海微澜集》、《东北边防与航权》、《青岛市政》、《浙政两年》等。
脱离东北军投靠国民政府
“九·一八”事变后，东北军奉行蒋介石的不抵抗主义，放弃了东三省，张学良调驻西安为西北“剿匪”副总司令，以沈鸿烈为司令的东北海军失去了依归。在沈鸿烈焦虑不安的时候，张学良将其引荐给国民政府，蒋介石在庐山召见了沈鸿烈。蒋允许沈的东北海军全部开驻青岛，预定任命沈为青岛市市长，以青岛税收直接拨充海军军饷，并提请国民党中央委员会补选沈鸿烈为中央委员。这样一安排，使得沈鸿烈感激涕零，决心脱离东北军，投靠蒋介石。
1931年12月，沈鸿烈被南京政府任命为青岛市市长。沈主青达6年之久，苦心经营，对青岛的开拓发展是有贡献的。他建了三号码头、船坞和海军造船厂，重视教育事业，举办了第十七届华北运动会，主持修订了《青岛市施行都市计划方案》，在城建、民政、教育等各方面均取得了较大的成绩，使青岛得以快速发展，青岛被南京政府赞誉为模范市，蒋介石对沈鸿烈甚为满意。
西安事变发生后，张学良、杨虎城及南京方面，都希望沈鸿烈表态。深受张氏父子器重的沈鸿烈处在两难境地，他决定张学良、蒋介石都不得罪。他先致电南京政府，敦促他们妥善解决事变，积极营救蒋介石，接着又致电张学良：“鸿烈受张氏知遇，已届两世，感恩图报，时系吾衷，平日言行，无不出自忠诚。顷读通电，惊悉西京兵谏，骊宫幽蒋，殊失将道。在此内忧外患日急，千钧一发之时，委座一身，国家安危所系……”他要求张学良必须保证蒋介石的安全。蒋介石回南京后，得知沈鸿烈的态度和作法甚为满意，视沈为心腹。
炸日本厂子得蒋介石嘉许
1937年“七七事变”后不久，日军在青岛海面上集聚了大批军舰，虚张声势，企图不战而侵占青岛。这时，沈鸿烈收到蒋介石的密电，必要时将日本在青岛的纱厂全部炸掉。沈做了充分准备，12月7日，沈接到南京政府炸毁日本在青岛所有工厂的命令，28日晚，沈下令炸日本厂子。从四方、沧口到青岛市内，连绵20里，爆炸声不断。沈连夜电告南京蒋介石，蒋复电对沈的作为颇致嘉许，并说今后行止可自行决定。沈鸿烈遂下令，自12月29日起全市撤退，限3日内撤尽。31日晚，沈鸿烈带着3个随从人员离开了青岛，乘车到徐州谒见李宗仁。李宗仁指示他把部队带到曹县驻下。到曹县后，沈又给蒋介石去电报，告知现状，恭候钧示。1938年1月25日，蒋介石刚处决了山东省政府主席韩复榘，正在物色接替韩的人选，收到沈鸿烈的电报后，拟让沈接任，惟一担心的是沈控制不了韩的老部下。遂复电沈鸿烈，大意是韩复榘违令放弃济南，撤兵后退，已在汉口正法，拟以沈鸿烈任山东省政府主席兼省保安司令职，对于安抚军民有何意见，希即详细电复。沈在复电中提到，自己主青6年，与韩军将领、鲁省硕儒多有交往，相知颇深，对于政情民俗亦甚熟悉，安抚军心民心稳操胜券。此电报打消了蒋介石的惟一疑虑，没过几天，国民政府便明令沈鸿烈任山东省主席兼省保安司令。
由联共走向反共结束主鲁生涯
沈鸿烈主鲁期间，正值日军大扫荡之时，胶济沿线及省内大城市均被日军占领，沈在省政府成立了一个游击政府。在日军大扫荡中，鲁苏战区总司令于学忠的部队和沈鸿烈的部队受到不少损失，而群众基础好的八路军，作战灵活机动，又有群众掩护，力量有了发展。见此，原与共产党的武装联合抗日的沈鸿烈，指责八路军“破坏行政系统”、“游而不击”，由联共逐渐走向反共，随着国民党中央《限制异党活动办法》的发布，他便把主要力量用于反共。反共的结果是他日子越来越不好过。蒋介石见沈在山东实在难以支撑下去了，于1941年秋，以召回述职为名，调沈鸿烈回后方，旋即公布沈鸿烈任农业部长，至此，沈鸿烈结束了主鲁生涯。
