Op mod Kattinge Vig, på tværs af grænsen til Lejre Kommune, ligger Store Kattinge Sø på 71 ha og Lille Kattinge Sø på 4,4 ha. Store Kattinge Sø var oprindelig en vig eller et nor i fjorden, men det ophørte i 1200‑1300-tallet, da der blev opført en dæmning for at skabe en sø til vandmølledrift. I dag ejes Store Kattinge Sø af Naturstyrelsen, mens Lille Kattinge Sø er privatejet. Begge søer gennemløbes af Kornerup Å, som har udløb i Kattinge Vig og Roskilde Fjord ved Kattinge Værk.
Lille Kattinge Sø ligger omgivet af store moser, hvorimod det meste af Store Kattinge Sø kantes af landbrugsarealer, som flere steder når næsten helt ned til bredden. Rørskovene når også deres absolut største udbredelse i Lille Kattinge Sø, hvor de ud over tagrør, smalbladet og bredbladet dunhammer, søkogleaks, gul iris og grenet pindsvineknop også omfatter bl.a. brudelys, gifttyde og vandskræppe. Undervandsvegetationen i Store Kattinge Sø er meget sparsom, men i søens sydøstlige ende kan man bl.a. finde børstebladet vandaks. Til gengæld rummer Lille Kattinge Sø en veludviklet flydebladsvegetation af hvid og gul åkande samt vandpileurt.
Begge søer er fuglerige, og ved Store og Lille Kattinge Søer er der iagttaget hhv. 155 og 109 forskellige fuglearter. Om vinteren kan 10.000‑20.000 troldænder raste på Store Kattinge Sø sammen med bl.a. knopsvane, stor skallesluger, lille skallesluger, hvinand og bjergand. I træktiden kan man ofte se fiskeørne ved søerne, og om vinteren holder isfuglen til ved Kattinge Værks udløb. Blandt ynglefuglene er det især toppet lappedykker, der gør sig bemærket, om end man i sommerhalvåret også kan høre vandrikse, sivsanger og græshoppesanger grynte og synge inde fra de tætte rørskove.
Kattingesøerne blev fredet sammen med Boserup Skov i 1980. Derudover er begge søer udpeget som både habitat- og fuglebeskyttelsesområde.
I middelalderen opstod med anlæggelsen af en dæmning ud mod Kattinge Vig både Store og Lille Kattinge Søer, som indtil da havde været hhv. en vig og et mose- og engområde. Der blev også bygget en mølle, som udnyttede vandkraften i den nye sø, men den blev senere nedlagt. På et tidspunkt fik søen afløb til vigen gennem en sluse, hvilket sænkede vandstanden. Først fra 1754 blev vandet atter stemmet op, og der blev anlagt en stampemølle, hvilket var begyndelsen til det senere Kattinge Værk.
