Den ca. 59 ha store Lyngby Sø ligger på tværs af grænsen mellem Lyngby-Taarbæk Kommune i nord og Gladsaxe Kommune i syd. Søen er ret lavvandet med en middeldybde på 1,65 m og en størstedybde på 3,3 m. Mølleå løber til Lyngby Sø lige øst for Marienborg og forlader den igen i østenden af søen lige nord for bådehavnen og Lyngby Roklub.
Oprindelig var Lyngby Sø en klarvandet sø, men en stor belastning med spildevand betød, at vandet blev uklart, ligesom der jævnligt opstod iltsvind. I 1940’erne forsvandt vandremuslingen fra søen, og i midten af 1950’erne fulgte vandplanterne efter. Der var også flere tilfælde af fiskedød; værst i sommeren 1957, hvor næsten 70 tons fisk måtte lade livet. Fra 1960 blev spildevandet ledt uden om søen til Mølleåværket, hvilket langsomt forbedrede søens tilstand.
Lyngby Sø har i dag en undervandsvegetation af akstusindblad, alm. vandpest, kruset vandaks, kredsbladet vandranunkel, vandpileurt og søkogleaks. Fiskebestanden omfatter bl.a. aborre, sandart, skalle, brasen, karpe og gedde. Toppet lappedykker er en af søens mest iøjnefaldende ynglefugle, og langs søbredden kan man ofte se jagende fiskehejrer. Derudover benytter mange andefugle søen som overvintrings- og rasteplads.
I 2013 blev både Lyngby Sø og Bagsværd Sø fredet. Fredningen dækker et samlet areal på 297 ha og omfatter også søernes omgivelser.
