当社は、芝川右岸の大宮台地東南部に鎮座し、東部は見沼の低地が広がっている。
創祀は、中世修験の活動により紀州の熊野大社の分霊を当地に祀ったことによると伝える。また、境内東側には鎌倉期の創建と伝える大日堂（古来真言宗、近年曹洞宗東光寺下寺）があり、古くから当社と一体となって祀られている。この神仏習合は熊野大社の三神を伊弉諾尊・伊弉冉尊と大日如来である天照大御神の三神に当てる中世の信仰に習ったものである。
社蔵棟札によると、明和七年（一七七〇）十一月「熊野三社大権現本社拝殿二宇」が造営されている。この時の遷宮導師は天台派の正観房義純、ほかに上天沼村の重立ちとして星野弥左衛門・星野平左衛門・宮野経右衛門の名前が見える。次に明治六年四月に村社となり、同年十月新たに瓦葺きの本殿を造営している。
『明細帳』によると、明治四十年五月、大字上天沼字熊野耕地の無格社神明社・同境内社疱瘡社・稲荷社、同字無格社石神社・同五条天神社・同宗形神社、字天神耕地の無格社天神社・同愛宕社、大字下天沼字八幡耕地の村社八幡神社、字浅間耕地の無格社浅間社・同境内社疱瘡社を合祀し、同四十一年七月、熊野神社の社号を、村名を冠した天沼神社に改称した。
