乗鞍岳に連なる富士見岳(2817m)・大黒岳(2772m)の東側の斜面に発した流れは暫く岩場に伏流し、やがて川を形成する。そのまま東へと流れ三本滝を形成し乗鞍高原に至る。乗鞍高原では上流部では北辺、下流部では中央部を流れ、善五郎の滝や番所大滝を形成して高原を東西に縦断する。高原を抜けると間もなく前川渡で、奈川渡ダム湖(梓湖)に注いで終わる。この人造湖には前川も注いでおり、ダムができる以前には、小大野川と前川とは梓川に合流する500mほど手前で合流していた。
終始長野県道84号乗鞍岳線と並行しており、小大野川にかかる橋の多くはこの路線のものである。