I en sumpkilde i den sydlige del af Rold Skov udspringer Villestrup Å og begynder sin ca. 21 km lange rejse til udløbet i Mariager Fjord. Kort efter udspringet løber Villestrup Å forbi Store Blåkilde, som sammen med talrige mindre kilder bidrager med omkring 300 l vand i sekundet til åen. Efter danske forhold har Villestrup Å et forholdsvis stort fald, og vandet er meget rent.
I perioden 2008-11 opkøbte og nedlagde Naturstyrelsen samtlige syv dambrug ved åen, som i samme periode blev lagt tilbage i sit gamle forløb. Samtidig er den traditionelle vedligeholdelse mange steder ophørt. Disse tiltag har sammen med åens fysiske forhold gjort Villestrup Å til et af landets fineste vandløb med en stor mangfoldighed af bl.a. vandplanter, fisk, vandinsekter og andre smådyr. Åens fiskefauna omfatter arter som bækørred, havørred, trepigget hundestejle, ål og bæklampret. Både regnbueørred og kildeørred, som er undsluppet fra dambrug, findes også i åen, og kildeørreden danner selvreproducerende bestande i tilløbene Lundgård Bæk og Tovdal Kildebæk. Ved åen yngler fugle som gravand, isfugl, bjergvipstjert og vandrikse, og om vinteren er vandstæren en hyppig gæst. Også odder findes ved åen.
Den smalle, dybe dal, som åen løber igennem, rummer en række forskellige naturtyper som enge, rigkær, kildevæld, kalkoverdrev og sure overdrev. Her er plantelivet rigt og omfatter bl.a. engblomme, engkabbeleje, nøgleblomstret klokke samt flere forskellige orkideer, og på de kalkrige overdrev har den meget sjældne bakkegøgeurt to af sine tre kendte danske voksesteder.
En del af Villestrup Ådal, på strækningen mellem Vråvej og Tostrupvej, blev fredet i 1954. Villestrup Å indgår desuden i habitatområdet Villestrup Ådal.
