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La geologia della zona del Grand Canyon espone una delle sequenze di roccia più complete di qualsiasi altro luogo, rappresentando un periodo di quasi due miliardi di anni della storia della Terra in quella parte del Nord America. I principali strati di roccia sedimentaria esposti nel Grand Canyon e nella zona del Parco nazionale del Grand Canyon oscillano per età da duecento milioni a quasi due miliardi di anni. La maggior parte furono depositati in mari caldi e poco profondi e vicino a coste marine antiche e da tempo scomparse. Sono rappresentati sia sedimenti marini che terrestri, incluse dune sabbiose fossilizzate derivanti da un deserto estinto.
Il sollevamento della regione iniziò circa settantacinque milioni di anni fa nell'orogenesi laramide, un evento di formazione montuosa che è in gran parte responsabile della creazione delle Montagne Rocciose a est. Il sollevamento accelerato iniziò diciassette milioni di anni fa quando si stavano formando gli Altopiani del Colorado (sui quali è situata la zona). In totale si stima che questi strati furono sollevati di 3.000 m, il che permise al fiume Colorado di scavare il suo canale nei quattro altopiani che costituiscono la zona. Ma il canyon non iniziò a formarsi fino a 5,3 milioni di anni fa quando il Golfo di California si aprì e abbassò così il livello di base del fiume (il suo punto inferiore) da quello dei grandi laghi interni al livello del mare.
Climi più umidi portati dalle ere glaciali a partire da due milioni di anni fa aumentarono molto l'escavazione del Grand Canyon, che entro 1,2 milioni di anni fa era profondo quasi come ora. Inoltre circa due milioni di anni fa l'attività vulcanica iniziò a depositare cenere e lava sulla zona. Almeno tredici grandi colate di lava fecero da diga al Colorado, formando enormi laghi profondi fino a 600 m e lunghi 160 km. I quasi 40 strati rocciosi identificati e le quattordici principali discontinuità (intervalli nella serie geologica) del Grand Canyon formano una delle sequenze di roccia più studiate del mondo.
