Das glazifluviale Osbektal entstand gegen Ende der letzten Eiszeit, also vor über 10.000 Jahren. Das Wasser bahnte sich seinen Weg durch ein Gelände, das das typische Relief Angelns aufweist. Der Wasserlauf hat sich im Laufe der Zeit immer tiefer in den Boden gegraben, sodass ein Kerbtal entstanden ist. Es ist eines von sechs weiteren Flensburger Kerbtälern rund um die Förde.

Der Höhenunterschied von rund 20 Metern zwischen Talsohle und den Hangkanten hebt die Gestalt des Tales hervor. Das obere Osbektal nimmt dabei eine Sonderstellung ein. Durchgehend verlaufen die anderen Talräume in West-Ost- oder Ost-West-Richtung. Das obere Osbektal dagegen erstreckt sich in Süd-Nord-Richtung.

Das Osbektal lag einst weit vor den Toren der Stadt Flensburg. Der Bachlauf war schon damals teilweise begradigt und auch die Wallhecken verliefen Großteils bereits wie heute. Die dazwischenliegenden Felder wurden landwirtschaftlich genutzt. Das Osbektal ist also seit Jahrhunderten keine reine Naturlandschaft mehr, sein heutiges Aussehen ist vom Menschen geprägt und gilt als "historische Kulturlandschaft". Außerdem durchschneidet heute ein Schulweg diesen Talraum, sodass er nicht nur von den Hangkanten, sondern auch aus der Tiefe heraus erlebt werden kann.

In oberen Talbereich südlich der Osterallee befinden sich Wiesen, Äcker, Knicks und feuchte Niederungen mit Binsen und Sumpfdotterblumen. Am Bachufer wachsen verschiedene Gehölze. Der Talraum mitsamt einigen Teichen dient Vogelarten als Lebensraum, ebenso kommen Frösche und andere Amphibien in großer Zahl vor. Außerdem wurden hier selten anzutreffende Tierarten wie Steinmarder, Hasen, Wasserspitzmäuse und Ringelnattern festgestellt.

Straßenbaupläne, die das oberste Osbektal zerstört hätten, wurden mittlerweile verworfen. Der dortige Naturraum gilt heute als gesichert.

Aus Sicht des Naturschutzes handelt es sich um einen der wertvollsten und landschaftsprägendsten Teile von Flensburg. Der Raum ist daher gesetzlich geschützt und gehört zu den Landschaftsschutzgebieten der Stadt.