大约距今6亿年前，科罗拉多大峡谷地区还是一片平原，在很长的一段时期里被海水淹没着。

到了距今二三亿年时，强烈的地壳运动使那个地区的地壳慢慢地上升，经过漫长的年代终于形成为高原——科罗拉多高原。在海水淹没的时期，科罗拉多高原地区沉积了砂岩、页岩、泥岩和石炭岩等各种岩层。大约在1200万年前，科罗拉多河开始了缓慢的侵蚀作用，逐渐塑造了今日大峡谷的壮丽景观。由于河流的侵蚀，现在河谷水面和原来的高原面之间的高差达到了1700米。河流切穿了所有的岩层，含有与岩层年代一致的各种代表性生物化石，从原始的单细胞植物到巨大的晰蜴类动物，在峡谷的谷壁上都能清晰地找到。像这样能清楚显示地质历史的岩层，在现今世界上还是少见的。