Esrum Sø ligger i en dyb lavning omgivet af Gribskovs bakkeland og det småbakkede
terræn mellem Fredensborg og Tikøb. Søen har afløb til Øresund gennem Esrum Ådal og får det meste af sit vand fra opstigende og dybtliggende grundvand.
Ifølge en hævdvunden teori blev bassinet i slutningen af sidste istid udgravet af en
gletsjertunge fra øst, som skubbede de udpløjede sedimenter sammen i de høje
randmoræner i Gribskov. Geofysisk sondering langs søens vestlige bred peger på en mere sammensat oprindelse med opstabling af tykke sedimentpakker forbindelse med gentagne isfremstød. Senest har der været foreslået, at bevægelser langs de større forkastninger i undergrunden en gang i Stenalderen af har givet søen dens nuværende udseende.
Da istiden ophørte, var søbassinet opfyldt af afsmeltende dødis og vandspejlet lå ca. 5
meter højere end det nuværende. Det står hen i det uvisse hvad der har forårsaget det høje senglaciale vandspejl, en prop af dødis i Esrum Ådal har været den traditionelle forklaring, men bevægelser i tærskelhøjden ved Sandporten ifm. jordskorpebevægelser har også været i spil