Los antecedentes del embalse se remontan al Plan General de 1902, que contemplaba la regulación del Alto Tajo hasta Bolarque, mediante la construcción de tres embalses en el río Guadiela (Buendía, Chincha y Beteta), de un embalse en el río Escabas (Portillo de Priego), de cinco embalses en el río Tajo (Entrepeñas, Balcón de Pilatos, Las Juntas, Campillo y Valdepedro), y de uno en el río Gallo (La Hozen). El embalse de Entrepeñas era el más importante de los embalses del Plan para regular el Alto Tajo y su proyecto se redactó en 1936. El embalse entró definitivamente en servicio en el año 1956.   

Los principales usos del embalse incluyen el abastecimiento, el riego (regulación de cabecera para las zonas regables del Tajo y alimentación del trasvase Tajo-Segura), la generación de energía hidroeléctrica y el uso medioambiental, dado que garantiza un caudal mínimo en el río Tajo a su paso por Aranjuez.  Junto con el embalse de Buendía, constituye un sistema de regulación entre los ríos Tajo y Guadiela que es considerado uno de los aprovechamientos hidráulicos más importantes de España, debido al enorme volumen de agua almacenada y al potencial aprovechamiento para el riego de un área extensa.

El embalse de Entrepeñas constituye un Área de Importancia para las Aves (IBA), “Embalse de Entrepeñas y Buendía”, y parte de su superficie pertenece a la Zona de Especial Protección para las Aves (ZEPA), de la Red Natura 2000, “Sierra de Altomira”, que destaca por una diversa comunidad de aves vinculadas al medio ripario, como el águila pescadora y el aguilucho lagunero. En el entorno del embalse es frecuente observar garzas imperiales, avetorillos o grullas, que utilizan el embalse como dormidero. 

Como espacio recreativo, el embalse de Entrepeñas es muy preciado en Guadalajara. Conocido como "El Mar de Castilla", sus playas de arena son muy frecuentadas por la población. Asimismo, en la mayor parte del embalse se permite la navegación de embarcaciones con y sin motor (se debe consultar siempre la información actualizada en la página Web de la Confederación Hidrográfica del Tajo). 

Para amantes del senderismo, la zona ofrece múltiples rutas y caminos que permiten disfrutar del entorno de unos de los embalses más grandes de la cuenca del río Tajo.