小田急小田原線と京王井の頭線が乗り入れる、東京都世田谷区北沢２丁目に位置する駅です。 新宿と渋谷に近く、二大繁華街に鉄道で直結する商業地であり、老舗の町として知られています。愛称は「シモキタ」。

駅名の由来は1927年（昭和２年）の開業時、当地は世田ヶ谷町下北沢に位置していた。シモキタは前近代の下北澤村に由来する大字で、上流の上北澤村と対比した地名。行政地名とした下北沢は現存せず、当地は世田谷区北沢であります。

小田急線と京王井の頭線は当駅で立体交差していて、京王が高架駅、小田急が地下駅構造です。小田急の地下駅化で生じた駅周辺の空き地は「下北線路街」として商業再開発されています。 駅の出入口・改札口は主に東口が小田急、西口が京王電鉄が管理している。 ※小田急では2013年（平成25年）３月から地下駅となり、以前は周辺に踏切があって利用者はとても不便でした。その日を境に、踏切が撤廃された。

京王井の頭線は島式ホームを有する高架駅であり、急行停車駅となっています。ホームの明大前寄りは地表と同じ高さで、近くには踏切がある。隣の池ノ上駅・新代田駅までは約600mしか無く、ホーム端から両駅が見える。 改札が地上１階、ホームが２階に位置し、改札とホームを結ぶエレベーターとエスカレーターが設置されている。エレベーターは渋谷寄りにございます。ホームドアは2021年（令和３年）11月に設置され、12月から使用開始されました。吉祥寺・渋谷駅に次いで３駅目となります。

小田急線は複々線区間上にある２層構造の地下駅で、各駅停車・準急・通勤準急・千代田線直通急行が発着する緩行線ホームが地下１階（青色）、快速急行・急行・通勤急行が発着する急行線ホームが地下２階（オレンジ色）で、全列車が10両編成に対応する島式ホームです。 2018年（平成30年）３月から複々線区間が完成し、とても便利な駅に生まれ変わった。線路が各ホーム２本ずつ、計４本が走ります。 特急ロマンスカーを除く、全列車が停車する駅で、下り快速急行は当駅を出ますと登戸駅まで止まりません。ご利用の方は停車駅にご注意下さい。経堂と成城学園前駅へは急行・準急をご利用下さい。

各ホームと地上にある改札階は２台の大型エレベーター及びエスカレーター・階段が設置されています。急行線ホーム中央にあるエスカレーターは地上改札階直通の長いエスカレーターとなります（緩行線ホームには参りません）。多機能トイレは地上改札階と急行線ホームの経堂寄りにあります。 ホームドアは緩行線ホーム（地下１階）から設置され、2019年３月30日(土)から使用開始。後に急行線ホーム（地下２階）にも設置され、2020年12月12日(土)から使用開始されました。 2019年（令和元年）11月より、駅構内にある商業施設「シモキタエキウエ」が開業し、改札階から行けますのでお買物や飲食等にご利用下さい。様々なイベントも見逃せません。

１日の乗降客数もかなり多く、小田急線が約12万人・井の頭線も約12万人が利用します。特に土日祝日等の休日は利用者が増加傾向になり、お出掛けする人が沢山見られます。 小田急線も乗降客数上位ベスト10にランクインしており、かなりの客が当駅を利用しますね。井の頭線も渋谷・吉祥寺駅に次いで第３の規模を誇り、京王電鉄の駅では新宿・渋谷・吉祥寺・調布駅に次いで５番目に多い駅となります。