Den 26,3 ha store Gentofte Sø ligger mellem Gentofte og Helsingørmotorvejen med Brobæk Mose som umiddelbar nabo i vest. Søen er klarvandet og kalkrig og har en middeldybde på 0,9 m og en størstedybde på 1,6 m. Den er blandt landets ti reneste søer over 20 ha, selv om tilførsel af vand fra den gamle Vangede Losseplads og formentlig også fra Helsingørmotorvejen betyder, at søen har ret høje niveauer af klorid og tungmetaller.
Fra omkring år 1600 var søen ejet af København, da den indgik i byens drikkevandsforsyning, men blev i 2012 solgt til Gentofte Kommune. At søen i dag er så ren, kan dels tilskrives, at den tidligere fungerede som drikkevandsreservoir, dels at søens opland blev bebygget, før landbruget blev industrialiseret. Siden villakvarterets anlæggelse i 1930’erne har søen dog fået tilført husspildevand fra kloakoverløb på vestsiden. Kommunen har gjort en stor indsats for at begrænse tilførslen, senest ved en udbygning af Brogårdsbassinet 2012‑13. Helt ophørt er kloakoverløbene ikke, men rørholmene på søens vestside lader til at begrænse spildevandspåvirkningen. Overdreven fuglefodring er en anden kilde til næringsstoftilførsel. Værst var det i begyndelsen af 1990’erne, da lokale bagere ville hjælpe søens fugle ved hver morgen at tømme et læs tiloversblevne bagerbrød fra lastbil ud i søen. Dette foregik dog kun, indtil kommunen fik standset den omfattende forurening.
Gentofte Sø har en rig undervandsvegetation, som bl.a. omfatter tyk og skør kransnål samt den meget sjældne stjernetråd. Dertil kommer arter som stor kildemos, akstusindblad, tornfrøet hornblad, kredsbladet vandranunkel, krybende vandkrans samt børstebladet, spinkel og liden vandaks. På bredderne vokser desuden vandpeberrod, duskfredløs og brudelys samt flere arter af orkideer.
I og omkring søen findes et rigt insektliv, der tæller guldsmede som stor kejserguldsmed, kilepletmosaikguldsmed, glinsende smaragdlibel, sort hedelibel, lille rødøjet vandnymfe og blåbåndet pragtvandnymfe. Svalehale, som sidst blev set ved Gentofte Sø i 1943, ynglede ved søen i 2016 for derefter at forsvinde igen. Fiskebestanden udgøres af bl.a. rudskalle, suder, gedde, hork, aborre og ål. I isvinteren 2009‑10 blev Gentofte Sø ramt af fiskedød, hvilket især gik ud over søens karper og ål. Som erstatning for de tabte fisk blev der i 2014 udsat 1.500 små ål.
Blandt ynglefuglene er toppet lappedykker, grågås, gråand og blishøne de talrigeste, men også lille lappedykker, knopsvane, troldand, taffeland og grønbenet rørhøne yngler fåtalligt i søen. På bredden står stadig flere over 100 år gamle hvidpile, som er vigtige levesteder for en række insekter, fugle og flagermus. Eksempelvis huser et af træerne på østbredden en koloni af vandflagermus.
Gentofte Sø er populær blandt lystfiskere og bl.a. kendt for sine store gedder. Siden 1890 har Lystfiskeriforeningen haft retten til fiskeriet i søen, og der må kun fiskes fra båd.
Sammen med Brobæk Mose er Gentofte Sø udpeget som habitatområde.
