从1856年到1862年的短短六年中，沈葆桢从知府（从四品）晋升到巡抚（从二品），其间还有两年离开了官场（1859年7月—1862年1月）。这段时间，他的升官之速疾如流星，其后就不再有如此迅速的提升。国家的危急和曾国藩（他在这一期间跃到高位）的庇护，都是起作用的因素。但是，他从地区人物变成全国性人物，全靠自己的努力。
1856年1月，沈葆桢前往江西北部，到长江流域一个重要的府——九江就职。这是他初次出任地方官。但是府城九江从1853年1月起就在太平军手中，所以沈到达这个地区之后便决定前往九江南面30千米外的南康，到曾国藩的大本营和他议事。曾想起沈1854年10月关于军事策略的奏折，坚决劝沈参加他本人的参谋部。
这时，曾特别需要沈的协助，因为曾正面临着极端严峻的军事形势。1854年收复武昌带的乐观情绪已经消散，太平军现在牢固地在南京建都。1855年年初，太平军曾四度占领汉口、汉阳，两度占领武昌，控制了长江流域的最重要地段。接二连三的败仗，使曾成了江西士绅、官吏们的笑柄，他们采取了异常的不合作态度。由于和邻省的交通被隔断，曾还遭受着军需供应不足之苦。同时，地方叛乱者从南面的广东、广西汹涌进攻，使形势更加恶化。曾的唯一供应线是江西东北部，从广信进入浙江。可以说曾国藩实际上是“南昌的囚徒”。于是，他的军事指挥便处于监察官的猛烈炮火之下。1856年1月，清廷对他发出申斥和查问。
沈葆桢在曾营的活动不得而知。由于他过去关于军事策略的议论得到过曾的赞许，他或许是一名军事顾问，大概不至于正式担任曾的个人助手（幕友）。毕竟他仍然是九江知府，列名政府的（而不是曾的）花名册之中。此外，由于府城九江仍在叛军之手，他期待着在别处的赴命。事实上，这一愿望很快就实现了。4月，广信府有了空缺。5月，沈即到这一新官署就任。
沈葆桢在曾的幕府服务，虽然时间短暂，但对他日后的事业影响极大。曾是这一时期的关键人物。他的地位和学问吸引了许多学者、策略家、军事指挥官，后来还有数学家和外国事务“专家”。随后，这其中的许多人成为有影响力的人物。为曾服务的过程使沈有了显赫的朋友圈，其中不少人在沈的日后事业中和他合作密切。这里略提几人，如郭嵩焘、郭昆焘、周开锡、李瀚章、李元度、周腾虎和夏燮。所有这些人并非于1856年上半年都在为曾服务，应当说，曾门下一班人的团结精神是影响沈日后事业的一个重要因素。
沈葆桢被任命为广信知府，这件事本身说明了他的重要性在增长。《大清缙绅全书》指出，广信知府是非常重要的职务。这个府由于处于要害位置，被列为“最要，冲繁疲难”。清廷对沈的唯一补偿是薪金较高，每年2800两。
任命的时间很不吉祥。1856年中期，曾国藩仍然被围困在江西北部，只剩下浙赣走廊这一条不甚安全的生命线，而广信就坐落在这条线上。所以，预计太平军很快就要夺取这一线的控制权。1856年1月，何桂清（浙江巡抚）和廉兆纶（江西学政和团练委员）曾经表示过对广信安全的担忧。这个府及其附近地区是如此重要，以致曾国藩在湘军中的左右手罗泽南受命撤离对武汉的包围来防卫它。但罗来得太迟，2月，府城被太平军攻陷两天之后才由罗勉力收复。不久，由于太平军被召回以解南京之围，广信的压力减轻了。但这一段喘息时间很快就被打断，到了4月，威胁在南边出现，广信再度处于危险之中。
曾国藩极端重视广信的安全，不遗余力地来保卫它。尽管2月间罗泽南率领部队来救援，但在极端困难的将近一年里，这个地区的防务落在了廉兆纶肩上。廉称，省里的雇佣军（勇）是唯一可以依靠的力量，但人数太少，共计16000人，要对抗7万当地叛乱者和太平军，非常勉强。更糟的是，这些部队不在统一领导之下，他们胜则争功，败则诿责。所以廉建议把他们重新组成3～4个各有4000～5000人的大兵团。朝廷大概害怕湘军的军事力量进一步集中，没有采纳他的建议。
沈葆桢到广信上任后，接受了廉的想法，这和他本人在不到两年前向朝廷所提建议的精神非常相似。两人都赞成更加集中化的军事组织。但是，沈只是个知府，他的权力范围只限于增强他下辖7个县的团练领袖之间的互动。为了增强防卫力量，他必须动员士绅首领加强军队的招募和训练。自然，他和廉能继续合作，但详情不大清楚。不过，他们的合作使广信府南面的战略要地金溪和建昌很快得以收复。事态在好转，但为时不长。
当时，江西中部的秘密会社“边钱会”的成员和太平军联合了起来。8月末，他们进入广信地界，9月2日攻下贵溪县城，这是第一个陷落的城镇。新训练的雇佣兵无法抵挡。
在这紧要关头，沈和廉正在50千米以外的地方筹饷募兵。9月3日，他们听到贵溪陷落的消息，立即赶往广信，同时向总兵饶廷选求援。这时，饶在浙江省统帅之下，负责保卫浙赣走廊末端——信江上游50千米的玉山。
广信乱成一团：只有四百守兵，沈还在外地，大多数官员和衙役四下逃散，城市确已弃守。但沈妻林普晴拒绝逃跑。她主动刺破手指写血书给饶廷选，恳求他派出援兵。信中，她发誓自己将等待沈回来，和他一起守城至死，以报答皇恩。她并非为节烈所推动，她确实想挽救广信，所以她以共同利害关系来打动饶：如果广信陷落，饶自己的基地玉山将无险可守。饶为她的恳求所感动，同时出于战略考虑，调动了他的部队。但无可奈何的是，舰只因信江水浅而受阻。若非6日下大雨，增援广信府的一切希望都将化为泡影。7日，饶和他的2100人到达广信。接着是几场剧烈的非决定性的战斗。11日，这个被围困的城市遭到大量太平军援兵的猛烈进攻。绝望使被围困的人们竭尽全力抵抗太平军。衙门里官吏、办事人员、仆役全跑空了，林普晴自己顶上他们的职责：誊抄、记账、为士兵发饷，甚至替部队煮饭。至于沈，则尽力防守。而廉兆纶献出了自己的薪俸助饷。由于饶军的坚定和沈、林、廉的激励，13日，广信解围。按阴历，这天正好是林的生日。
保卫广信的成功，对曾国藩来说简直是天赐福祉，因为存亡攸关的不仅是他的唯一供应线得以保全，而且保了他岌岌可危的领导地位。虽然他以前为了他的兵力不能扩展到广信而争议过，因朝廷并不想将如此重要的战略要地的安全交给廉单独负责。9月初，第一次遭到威胁的时候，朝廷对于曾逃避责任表示不悦。曾国藩在江西已多次遇到麻烦，沈葆桢和廉兆纶的成功使曾免于进一步受困。也许他觉得，朝廷对他的不满是由廉兆纶的奏折所煽起，所以曾国藩故意忽略廉兆纶的贡献，而把沈葆桢作为当日的英雄。
当人们看到许多官员在不那么危急的形势下放弃职守，故沈葆桢的功绩就越发给人以深刻印象。1856年，江西的14个府城中有8个，75个县城中有53个陷落，因为官员们仅仅半心半意地抵抗，或在敌人还未出现时就逃跑。前面提到的贵溪失守，就是官员极端玩忽职守和不负责任的代表。这个城的守卫责任在一个名叫石景芬的人手中，当他听到邻州一个县城危急，就带领精兵2000人前往救援。他没有遇到敌人，但敌军却乘虚拿下了贵溪。他并不回程救援，却心安理得地回了老家，不管部队既无统帅又无给养。
正如曾国藩所说，城池失守并不是由于叛军强大，而是由于抵御乏人。或许这个说法有些夸张。然而，当时大多数官员的无法控制的怯懦和玩忽职守行为，与沈防卫广信的坚毅正好形成对比。所以，曾请求北京下令惩罚失职官员，而对沈倍加赞扬，说他充分体现了儒家的原则（深明大义）。在他的全力推荐下，沈的名字被登记下来以备提升。