Den 8,5 km lange og op til 740 m brede Tjele Langsø ligger i tunneldalen mellem Skals Ådal og Viborg. Bunden er meget uregelmæssig, og selv om søen generelt er forholdsvis lavvandet, rummer den flere dybe områder som Fastrup Dyb på 16,9 m, Hulkildsdybet på 9,8 m, Bigumdybet på 9,0 m og Dybet på 8,3 m. Søen har et areal på 413 ha. De to største tilløb er Tjele Å og Engdal Bæk i vest, mens søen har udløb mod sydøst gennem Vorning Å, som løber til Skals Å og videre ud i Hjarbæk Fjord.
Tjele Langsø er ret belastet af næringsstoffer fra bl.a. landbruget, og algeopblomstringer forekommer jævnligt i sommerhalvåret. For at binde næringsstofferne til bundsedimentet har man som i Hald Sø forsøgt at udlede ilt i søens bundvand om sommeren, men uden den store effekt. Det uklare vand har resulteret i en ret sparsom undervandsvegetation, som domineres af akstusindblad.
Rundt om søen ligger smalle mosearealer, hvoraf en stor del fremstår som ellesump, samt enkelte ferske enge og overdrev. Der er flere rigkær, som er under tilgroning i varierende grad. I rigkærene kan man finde den sjældne butblomstret siv, mens engene og moserne er voksested for bl.a. majgøgeurt.
Fiskebestanden er ret artsrig. De dominerede arter er brasen og skalle, men søen huser også aborre, hork, sandart, gedde, rudskalle, suder, grundling, helt, smelt, ål og trepigget hundestejle.
Toppet lappedykker har en stor ynglebestand, og der yngler flere par isfugle. Om vinteren kan stor skallesluger raste på søen i stort tal, foruden bl.a. troldand og hvinand, ligesom der ofte ses rastende sangsvane, fiskeørn og havørn. Tidligere rastede tajgasædgås talrigt ved Tjele Langsø, men i dag er mange af dem flyttet til Nørreådalen. I vinterhalvåret kan mere end 1.000 tajgasædgæs dog stadig ses på markerne ved søen.
Selv om Tjele Langsø er privatejet, er der enkelte kommunale arealer med parkeringspladser og informationstavler. Især i sommerhalvåret benyttes søen også til badning og sejlads. Sammen med Vinge Møllebæk er Tjele Langsø udpeget som habitat- og fuglebeskyttelsesområde.
