Bastrup Sø ligger i en øst-vestgående tunneldal syd for Lynge i den sydlige del af Nordsjælland. Søen er en del af det smeltevandsskabte system af dale og åse, der strækker sig fra Furesø og mod nordvest til Buresø. Centralt i dette landskab ligger Mølleåen, der starter ved afløbet fra den østlige ende af Bastrup Sø og har udløb i Øresund. Få hundrede meter vest for Bastrup Sø er der et vandskel, hvor vandet strømmer enten mod øst til Bastrup Sø, mod vest til Buresø eller mod syd til Damvad Å eller Bunds Å.