Østerå løber i en ca. 17 km lang tunneldal, der strækker sig fra grænsen til Rebild Kommune ved Støvring i syd til Limfjorden ved Aalborg i nord. Dalbundens bredde varierer fra ca. 200 m til omkring 1 km, mens skrænterne rejser sig op til 30‑40 m over bunden.
Da isen fra den sidste istid havde trukket sig tilbage, blev tunneldalen først dækket af Yoldiahavet og senere af Littorinahavet. Aflejringer fra disse to have har dækket og udjævnet dalbunden; ved Ellidshøj og Svenstrup lå tunneldalens bund dog over havniveau, hvilket skabte to små øer i dalen. Landhævningen, som tog fart efter sidste istid, skabte den flade dalbund, hvor Østerå engang snoede sig gennem mose- og engområder, inden den løb ud i et delta ved Limfjorden, hvor Aalborg ligger i dag.
Ved Ellidshøj er der et vandskel i ådalen. Herfra løber Østerå mod nord til Limfjorden, mens vandløbet Skiveren løber mod syd til Lindenborg Å. Den lave grusbakke Svenstrupholm deler dalen i to ved Svenstrup, og fra den vestre del løber Guldbæk ud i Østerå. Dette område blev drænet omkring 1910 og er i dag det største sammenhængende opdyrkede område i ådalen, som dog for størsteparten stadig består af enge og moser.
I dag er det meste af Østerå reguleret og udrettet, og ved Ferslev, hvor motorvejen krydser åen, har ådalen sit smalleste sted. Her ligger et stort dambrug. Fra Finstrup Bro og ca. 5 km nedstrøms er ådalen bebygget, mens selve åen er inddiget, og den yderste strækning mod udløbet er rørlagt. På denne strækning har der ligget to vandmøller: Gammelmølle, hvor Mølle Plads i centrum af Aalborg ligger i dag, og Kjærs Mølle. Ved Kjærs Mølle fandtes også Godthaab Teglværk, hvis lergravning ved Teglværkssøen har sat sine tydelige spor i landskabet. I 1964 fik også cementfabrikken Danmark tilladelse til at grave ler syd for Over Kæret. Indvindingen stoppede i 1985, men efterlod søen Lergraven, som i dag er ådalens største.
I 1998 blev den nordlige del af Østerådalen mellem Indkildevej og Over Kæret i Aalborg fredet. Fredningen dækker et areal på 100 ha. På denne strækning er Østerå blevet genslynget, ligesom der er etableret kunstige søer og skabt græsningsenge, mens der under Indkildevej er anlagt en faunapassage af hensyn til især oddere. Derudover er der etableret hundeskov og stiforløb.
Naturgenopretningen har haft en positiv effekt på ådalens plante- og dyreliv. Der er nu registreret over 300 plantearter i området. De omfatter også mere sjældne arter som krebseklo, purpurgøgeurt og kæmpestar; sidstnævnte har sandsynligvis forvildet sig fra villahaver i nærheden. Kombinationen af søer, rørsumpe, fugtige og tørre enge, ellesumpe og anden skov har givet området et rigt fugleliv. Især i vinterhalvåret gæstes ådalen af en række forskellige fugle, herunder vandstæren, som jager smådyr i åens strømmende vand, og den farvestrålende isfugl. Også om efteråret lægger mange trækkende ande- og vadefugle vejen forbi ådalen. Ynglefuglene tæller, ud over småfugle som rørspurv og nattergal, bl.a. grønbenet rørhøne, lille lappedykker, tårnfalk og musvåge. Den sky og sjældne odder har også indfundet sig i ådalen, som desuden huser ræv, husmår, lækat og flere forskellige flagermus.
