築城年代は定かではない。後三年の役で清原家衡が籠城し、源義家を撃退した沼の柵に推定されている。
沼館城が整備されたのは大永年間(1521年〜1528年)の小野寺稙道の頃で、稲庭城を晴道に譲って自らは沼館城へ移った。 その後、小野寺氏は湯沢城、横手城を居城としている。
沼館城は現在の蔵光院を本丸として築かれている。
蔵光院が本丸、北にある旧沼館中学校が二の丸、その北、沼館八幡神社の辺りまでが三の丸であった。沼館の名の通り、周囲に湿地帯が拡がり自然堤防となった高台に築かれていた。
本丸である蔵光院の周囲には高土塁が現在も残り、南側の辺りは浅いながらも堀が残る。