Den ca. 20 km lange Pøleå udspringer ved Holmene i den sydligste del af Hillerød. Herfra fortsætter den nordvestpå gennem Hillerød til Strødam Engsø og videre langs vestkanten af Gribskov til Solbjerg Engsø. Fra søen følger Pøleå mere eller mindre grænsen til Gribskov Kommune og gennemløber på sin vej Alsønderup Enge, inden den når sit udløb i Arresø ved Pølebro. Åen har flere tilløb, hvoraf de største er Gadevangsrenden, Hessemose Å og Ammendrup Å. Tilsammen giver de hele Pøleåsystemet et opland på 10.200 ha.
I forbindelse med Pøleå blev der 1987‑96 anlagt tre engsøer. Strødam Engsø er den eneste af de tre, hvis samlede søareal ligger inden for kommunegrænsen. Derimod må Hillerød dele Solbjerg Engsø og Alsønderup Enge med Gribskov Kommune. Søerne skulle bundfælde fosfor, inden det nåede Arresø. Effekten har dog været begrænset, da engsøerne efterhånden selv opbyggede en fosforpulje og ikke længere formåede at opfange de stadigt stigende fosformængder.
Fuglelivet koncentrerer sig især om de tre engsøer, som kort efter anlæggelsen kunne fremvise en stor artsrigdom. Siden er mange af ynglefuglene forsvundet igen. I dag trues de tilbageblevne vandfugle bl.a. af undslupne mink, som tager deres yngel. Modsat minken har de bævere, som Naturstyrelsen udsatte i Nordsjælland 2009‑11, sat et mere positivt aftryk på åsystemet; også selv om det flere gange har været nødvendigt at fjerne dæmninger for at undgå oversvømmelser. Åens fiskebestand omfatter bl.a. gedde, aborre, sandart, ørred, rimte, brasen, suder, skalle, rudskalle, løje og ål.
På sin vej fra udspringet ved Hillerød til udløbet i Arresø gennemløber Pøleå to habitatområder og to fuglebeskyttelsesområder samt de fredede områder Hejreholm, et eng- og moseareal op til Nejede Vesterskov samt Lille Lyngby Mose.
