Engelsholm Sø ligger i Vejle Kommune mellem Vejle og Billund. Søen ligger i en mindre tunneldal lige øst for den lille by Nørup. Søen har et forholdsvis lille opland på lidt over 1600 hektar. Jordbunden i søens opland består af lige dele ler og groft sand. Cirka 80 procent af søens opland er opdyrket, mens arealer med skov og natur udgør hver cirka 10 procent. Der er ingen større byer i søens opland.
Engelsholm Sø har flere mindre tilløb, men langt det meste vand, der kommer til søen, er grundvand. I det vestlige hjørne afvander søen til Vejle Å, der løber videre ud i Vejle Fjord.
Der bliver tilført fosfor til søen fra regnvandsbetingede udledninger, spredt bebyggelse og især opdyrket jord.