תבנית:ערך מומלץ 23 במרץ 2017
הגאולוגיה של הגרנד קניון חושפת את אחד הרצפים השלמים ביותר של סלעים על פני כדור הארץ. גילן של קרוב ל-40 שכבות סלעי המשקע שנחשפו בגרנד קניון ובשטח הפארק הלאומי גרנד קניון נע בין 200 מיליון שנים לקרוב ל-2 מיליארד שנים. מרביתן התגבשו במים רדודים וחמימים בסמוך לחופי ים, שמזמן כבר אינם קיימים, במערב אמריקה הצפונית. בין השכבות יש ייצוג הן למשקעים ימיים והן למשקעים יבשתיים, כולל דיונות מאובנות ממדבר נכחד. נתגלו לפחות 14 מקרים של אי התאמה בטור הסטרטיגרפי של שכבות סלעי המשקע באזור הגרנד קניון.
האזור החל להתרומם לפני כ-75 מיליון שנים במהלך האורוגנזה הלרמידית – אירוע של בניית רכסי הרים שהיה הגורם העיקרי ליצירת הרי הרוקי במזרח. בסך הכול התרוממה רמת קולורדו, שבשטחה נמצא הקניון, כ-3.2 קילומטרים. האזור הפיזיוגרפי הסמוך ממערב, "פרובינציית אגן ורכס", החל להיווצר לפני כ-18 מיליון שנים כתוצאה מהתמתחות קרום כדור הארץ. המים של מערכת הניקוז זרמו דרך מה שכיום הוא מזרח הגרנד קניון ונשפכו לתוך מה שהוא כיום חלקה התחתון של פרובינציית אגן ורכס. פתיחתו של מפרץ קליפורניה לפני כ-6 מיליון שנים אפשרה לנהר גדול לחצוב את דרכו מהמפרץ בכיוון צפון-מזרח. הנהר החדש השתלט על מערכת הניקוז הישנה והחל להיווצר נהר קולורדו. נהר זה החל להתחתר וליצור את הקניון.
אקלימים לחים יותר, תוצאה של עידני קרח שהחלו לפני 2 מיליון שנים, הגבירו במידה ניכרת את חציבת הגרנד קניון, שלפני 1.2 מיליון שנים כבר היה עמוק כמעט כמו בימינו. פעילות געשית השקיעה לבה על האזור בתקופה שבין לפני 1.8 מיליון שנים ללפני 500,000 שנים. לפחות 13 סכרי לבה חסמו את נהר הקולורדו תוך יצירת אגמים שעומקם הגיע עד 600 מטרים. סוף עידן הקרח האחרון ופעולותיו של האדם במאה השנים האחרונות הפחיתו מאוד את עוצמת החתירה של הנהר בקניון. סכרים שינו לגמרי את תבניות הסעת הסחף בנהר והשקעתו. נעשו ניסיונות ליזום שיטפונות מבוקרים מסכר קניון גלן במעלה הנהר על מנת לראות האם פעולה זו תורמת לשיקום. רעידות אדמה ואירועי סחיפה מסוג תנועת בלית עדיין משפיעים על עיצוב פני האזור.