特急「北斗」・「スーパー北斗」（１号と１７号－２２号を除く）が停車する主要駅のひとつ。１面１線の単式ホームと、側線がある地上駅です。なお、側線に大沼駅発着の列車が待機している場合もあるのですが、乗降はできません。１９０７年（明治４０年） 北海道鉄道の大沼公園臨時乗降場として設置されたのがはじまりです。 １９０８年（明治４１年）大沼公園仮停車場が開業。旅客および荷物扱いが開始されます。 １９２０年（大正９年）大沼仮停車場と改称。同時に大沼駅（初代）は軍川駅に改称されました。
景勝地でもある大沼国定公園の入り口でもあるため、駅舎には洒落た雰囲気が漂います。１９２８年（昭和３年）建築の駅舎ですが、可愛らしさのなかにも貫禄があります。
駅の近くには、大沼名物「大沼だんご」を売る『沼の家』があります。明治時代から愛されてきた銘菓で、特急列車の車内販売もされています。
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