Mange søer i Himmerland ligger i dødishuller, og Madum Sø formodes at være opstået sådan. De langstrakte sænkninger, hvor langmosen findes, menes også at være skabt under istiden.

Madum Sø er Himmerlands største sø. Den er ca. 200 ha og 8 meter på det dybeste. Den er omgivet af skov og hede, de eneste tilløb er fra et par skovmoser. Vandet i søen er rent grundvand, og vandstanden svinger i takt med grundvandsstanden og nedbørsmængden i området. Afløbet fra søen sker gennem nedsivning i den grusede og sandede søbund. I perioder med særlig høj vandstand, har søen afløb gennem Asp Bæk. Under Madum Sø findes kridt i 30-50 meters dybde.

Madum Sø er ikke fiskerig, men der findes enkelte store gedder og nogle aborrer. I hele ynglesæsonen ligger her hvinænder, dog findes der ingen beviser for, at de yngler her. En anden hyppig gæst er fiskeørnen, og søen har en fast bestand af ynglende toppede lappedykker. Også svaner, blishøns og gråænder er et almindeligt syn.

Madum Sø og dens omgivelser blev i 1986 fredet.

Flere steder omkring søen er der badestrande.
På østsiden af søen langs Madumsøvej er der tradition for nøgenbadning.