音更山とユニ石狩岳の間の北向きの谷に源を発する。標高1,040m付近で左岸より秋葉沢（音更山北斜面が水源）を合わせる。960m付近で右岸より由仁石狩川二の沢川が合流する。870m付近で右岸より由仁石狩川一の沢川を合わせる。まもなく国道273号の三国橋をくぐり、小さな沢を左岸に合流してのち左へ蛇行して新生橋で再び国道をくぐり、そのまま北流して大雪湖に流入する。流入地点より200mほど北にはこの川の河谷をまたぐ形で大雪大橋が架かっている。長さは約12km。
開拓期には由仁石狩川をさかのぼり、音更岳とユニ石狩岳の間の十石峠を越えるのが上川盆地と十勝平野をつなぐ重要なルートであったが、現在この峠には道路もなくなっている。変わって支流の由仁石狩川一の沢川より三国峠を越える道路（国道273号線）が整備されている。
川の名はアイヌ語では「ユ・ウン・ニ」（温泉がある）と解すことができ、古くは上流に温泉があったのではないかといわれる。現在、上記のように由仁石狩川の本流として地形図に描かれているが、近年までこの川は支流であるポンユニ石狩沢とされていた。現在では支流とされる下記の一の沢、二の沢と共に、地名の改変として批判されることがある。一の沢、二の沢は、本来ルベシナイ川の左岸支流「迷川」の左岸の支流の名であったが、誤記が正しいものとして一人歩きし始めている。