Kielstrup Sø ligger i det kuperede landskab på nordsiden af Mariager Fjord. Søen er en tidligere fjordarm, som blev afsnøret og i dag kun er forbundet med Mariager Fjord via en sluse i søens nordøstlige hjørne. Da søen modtager vand fra både fjorden og fra vandløb og kilder, er vandet brakt og har desuden et meget højt næringsindhold. Den lavvandede sø har en størstedybde på 3,6 m og et areal på 41 ha.
I et ellekrat langs søens nordside findes en meget stor skarvkoloni på 350-400 par. Skarverne kan ses på både fjorden og søen. Om vinteren raster derudover flokke af bl.a. troldænder på søen, og ved slusen kan man være heldig at se isfugl.
Langs søen findes en række fine kær med planter som leverurt, vibefedt, engblomme og flere forskellige orkideer. Indtil for ganske nylig voksede også den meget sjældne gul stenbræk her, men den er muligvis forsvundet igen. Af hensyn til det rige planteliv holder græssende kødkvæg området frit for træer, tagrør og anden høj vegetation.
Et område omkring Kielstrup Sø på 410 ha blev fredet i 1966. Søen indgår desuden i habitatområdet Kielstrup Sø.
