Bjerndrup Mølleå udspringer nord for Kværs i Sønderborg Kommune. Herfra løber åen mod vest og sydvest gennem Lille og Store Søgård Sø, nord om Kliplev og videre i en stor bue op mod Årtoft Plantage. Åen drejer herefter mod sydvest og løber ned forbi Bjerndrup og syd om Tinglev Mose. Ved Broderup løber Bjerndrup Mølleå sammen med Gejl Å og bliver til Sønderå, der fortsætter vestpå gennem kommunen. På en længere strækning følger åen den dansk-tyske grænse, inden den ved Magisterkogen i Tønder Kommune løber ud i Vidå, som fortsætter mod nordvest til Højer Sluse og Vidå Sluse i Vadehavet.
Fra udspringet til Povlsbro, hvor Hærvejen passerer åen, er Bjerndrup Mølleå reguleret med et overvejende kanaliseret forløb. Under motorvejsbyggeriet ved Søgård i 2010 valgte man desuden at rørlægge 300 m af åen i forbindelse med anlæggelsen af en faunapassage. Nedstrøms Povlsbro og især ned mod sammenløbet med Gejl Å har åen et mere naturligt, slynget løb.
Åen løber hovedsagelig gennem et åbent landbrugslandskab, men også langs skovområder som den store Årtoft Plantage. Plantelivet omfatter bl.a. forskellige arter af vandranunkel og vandstjerne samt svømmende vandaks, brudelys, grenet pindsvineknop, tagrør, rørgræs og mannasødgræs.
Bjerndrup Mølleå er i god økologisk tilstand, og ud fra sammensætningen af smådyr ligger åen i faunaklasse (DVFI) 5‑7. Det vil sige, at åen er svagt forurenet til helt uforurenet. Der er registreret ørred i det meste af vandløbet, men i meget varierende antal. Ved fx Povlsbro er der registreret tætheder af ørredyngel på 212 stk. halvårsyngel pr. 100 m vandløb. For at styrke ørredbestanden udlægges der 2015‑21 gydegrus flere steder i åen. Ud over ørred omfatter åens fiskebestand bl.a. aborre, sandart, skalle, grundling, knude, tre- og nipigget hundestejle samt ål.
