Med et areal på 204 ha hører Madum Sø til blandt Himmerlands største søer. Dens største dybde er 7,5 m. Søen har ingen nævneværdige tilløb og får hovedsagelig sit vand fra kalk-og næringsfattigt grundvand. Der er afløb til Asp Bæk i søens nordlige ende.
I modsætning til den nærliggende Store Økssø er vandet fri for humusstoffer og derfor meget klart. Det lave næringsstofindhold og klare vand betyder, at der er god plantevækst på store dele af søbunden. Siden år 2000 har der dog været hyppigere opblomstringer af blågrønalger om sommeren, hvilket tyder på en øget næringsstofbelastning. Rundt om det meste af søen findes en tynd bræmme af tagrør, og på bredden vokser bl.a. liden ulvefod og rundbladet soldug. Ellers er søen især rig på grundskudsplanter som sortgrøn brasenføde, strandbo og tvepibet lobelie, hvilket gør Madum Sø til en såkaldt lobeliesø. Mens brasenføde og strandbo ikke gør meget væsen af sig, sender tvepibet lobelie i juli en ca. 20 cm blomsterstilk med hvidblå blomster op over vandfladen.
Madum Sø er ret fiskefattig, men rummer dog både gedder og aborrer. Til gengæld er søen rig på vandinsekter. Toppet lappedykker, knopsvane og blishøne yngler regelmæssigt i søen, ligesom den om foråret og efteråret er en vigtig rasteplads for hvinænder og troldænder. Om vinteren kan man ofte se sangsvaner og forskellige andefugle som stor og lille skallesluger på søen.
I 1986 blev Madum Sø og Langmosen fredet. Derudover er søen en del af habitatområdet Rold Skov, Lindenborg Ådal og Madum Sø samt af fuglebeskyttelsesområdet Madum Sø.
