武蔵府中熊野神社古墳は、７世紀中頃から後半の上円下方墳である。東京湾西岸に注ぐ多摩川が形成する立川段丘崖から５００ｍほど段丘内に入ったところにあり、南東５００ｍには古墳時代後期の群集墳である高倉古墳群が所在するものの、単独で所在する古墳である。また、東約１．２ｋｍに古代東山道武蔵路、東南東約２ｋｍに武蔵国府の国庁推定地、北北東約２．７ｋｍに史跡武蔵国分寺跡が位置する。
明治期の『武蔵野叢誌』１９号によれば明治１７年に開口したことが知られるが、府中市教育委員会の発掘調査により平成２年に墳丘の一部で版築状の盛土が確認され、平成１５年から１６年の内容確認のための発掘調査により、下部２段が方形、上部１段が円形の上円下方墳であることが明らかになった。
最下部の１段目は一辺約３２ｍ、高さ約０．３ｍで切石を外周に並べる。２段目は一辺約２３ｍ、高さ約２．５ｍ、３段目は直径約１６ｍ、高さ２．２ｍで、２段目及び３段目には河原石による葺石を施す。墳丘盛土は版築によって積み上げられる。
内部主体は凝灰岩質砂岩を用いた切石積みの横穴式石室である。石室は南からハの字に開く前庭部、羨道、胴張り気味の前室と後室、胴張りの玄室へとつながり、内側にせり出す門柱状の石材によって各々が区切られる。羨道は長さ約０．９ｍ、幅約１．６ｍ、前室は長さ、最大幅、高さともに約１．８ｍ、後室は長さと最大幅が約１．９ｍ、高さ約１．８ｍ、玄室は長さ約２．６ｍ、最大幅約２．７ｍで、石室全長は約８．８ｍである。また、墳丘の南と東で部分的に周堀の可能性がある溝が確認されている。
石室床面直下で東西幅約８ｍ、南北幅１３ｍ以上、深さ１．５ｍ以上の掘込地業が確認された。東西幅はおおよそ石室の範囲に限定され、石室を安定させる基礎と推定される。類例はほかになく、極めて特異な構築方法をとっていたことになる。
盗掘されているものの、石室内より鉄地銀象嵌鞘尻金具1点、ガラス小玉６点、刀子３点、鉄釘約３００点が出土した。このうち、鞘尻金具の象嵌文様は七曜文を７箇所に配した国内外に類例を見ないものである。古墳の築造時期は横穴式石室や鞘尻金具の特徴から、７世紀中頃から後半と考えられる。
　武蔵府中熊野神社古墳は、発掘調査で確認された上円下方墳としては、京都府と奈良県にまたがる史跡石のカラト古墳、静岡県清水柳北１号墳に次いで３例目となる。石のカラト古墳は７世紀末の築造で一辺が１３．８ｍ、清水柳北１号墳は８世紀初頭の築造で一辺が１２．７ｍであることから、本古墳は３例中最も大きく、かつ古くなる可能性が高い。また、本古墳は７世紀中頃から後半の武蔵においては最大級の墳丘をもち、内部主体も大型の石室であるため、この時期の武蔵を代表する首長墓と位置づけることができる。本古墳の近辺では、これと相前後して東山道武蔵路が敷設され、直後の８世紀前半には武蔵国府が設置されており、当時の武蔵国の動向をうかがう上でも貴重である。