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陳沖1961年出生於上海一個醫務工作者家庭。父親陳星榮教授是上海華山醫院著名的放射學專家，曾任華山醫院院長。祖父陳文鏡曾留學美國，是著名的外科醫生。
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陳沖的外婆曾在英國、美國留學，獨自創辦了現代醫學出版社，是一個富有傳奇色彩的女性（陳沖和外婆、父母合影）
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陳沖的母親是藥理學家、神經生物學家，也是博士生導師。受家庭影響，她養成愛讀書的習慣。讀小學時，開始學習彈鋼琴、拉手風琴；讀中學時，參加了學校劇團的活動，演出文藝節目（陳沖晒母親年輕時的照片）
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1975年，14歲時上海電影製片廠到中學去選演員。複試時，她朗誦了一段英文的《為人民服務》，讓上影廠的主考人印象深刻。她在電影《井岡山》中扮演紅軍小戰士，那個小戰士只有一句臺詞。
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1976年，因在謝晉執導的電影《青春》中演啞妹而嶄露頭角，成為家喻戶曉的明星。因為每次都要在文化水平一欄填上“初中”，一年時間，她補習完兩年課程，考上了上海外語學院。
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1979年，與唐國強、劉曉慶主演電影《小花》。在《小花》的拍攝過程中，她趕回學校考試，上海外國語學院英語本科畢業。
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1980年，19歲的陳沖憑藉《小花》榮獲第3屆大眾電影百花獎最佳女演員獎和南斯拉夫電影節最佳女演員獎。
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1980年夏，美國電影藝術代表團到上海訪問，上影廠安排陳沖作翻譯。代表團一位教授勸她出國發展，她父母也在國外讀研，她下定了出國的決心。
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她成為中國最年輕的百花影后，紅得發紫，她卻選擇了出國留學，從零開始。1981年8月26日，19歲的陳沖告別了親朋，從上海乘上了前往紐約的飛機。
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到了美國後，為了給自己掙到足夠的學費和生活費，不得不去打工洗盤子、當保姆、當家教、餐廳的領位、圖書管理員、演小角色，什麼都做過，那些年的甜酸苦辣能裝好幾箱。就讀於紐約州立大學新帕爾茲分校，此後在加州州立大學北嶺分校學習電影製作。1986年起，隻身勇闖好萊塢。
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1987年，在貝爾納多·貝爾多魯齊執導的《末代皇帝》中成功地塑造了女主人公婉容悲慘的人生，使陳沖和尊龍走上奧斯卡頒獎臺，這是第一次有中國人站在這樣一個輝煌的舞臺上。
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1990年，她在美國影壇漸漸嶄露頭角。1995年，陳沖出任柏林電影節評委。2007年，榮獲了美國夏威夷電影節終身成就獎。2014年7月，擔任第71屆威尼斯國際電影節主競賽單元的評委。10月1日委任第51屆金馬獎評委會主席。
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2016年，參演電影《沒有別的愛》和古裝劇《如懿傳》。成為一位具有探索精神的著名演員、編劇和導演，被譽為“全世界最美50人之一”。
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陳沖遇到了現任的丈夫彼得，是一個普通的醫生。已經過去二十多年了，陳沖和彼得依然十分恩愛，陳沖37歲才和彼得有了自己的大女兒，後來又有了小女兒，如今一家四口生活得十分幸福。
