大分川（おおいたがわ）は、大分県中部を流れる大分川水系の本流で、一級河川である。古くは堂尻川、寒川とも呼ばれた。
九重連山の東側に位置する由布岳（標高1,584m）の南西麓に発し、南西方向に流れて由布院盆地を貫流した後、次第に向きを変えて概ね東流。下流では大野川とともに大分平野を形成し、大分市市街地を東西に分けながら北流に転じ、別府湾に注ぐ。
古くは、天平12年（740年）頃までに成立したとされる『豊後国風土記』に記載が見え、年魚（鮎）が多く捕れると記されている。
承和15年（848年）には、大分川で白亀が捕獲され、朝廷に献上された。朝廷はこれを大瑞として、承和から嘉祥への改元が行われた（『続日本紀』）。
1953年（昭和28年）の昭和28年西日本水害では、舞鶴橋が流失し、大分川の氾濫により大分市街地のほとんどが浸水する被害を受けた。この水害を機に支流の芹川に洪水調節用の芹川ダムが建設された。
1967年（昭和42年）に一級河川の指定を受けている。