Im Bereich des Colorado-Plateaus, das sich über mehrere Staaten erstreckt, gibt es zahlreiche Nationalparks, die alle durch eine beeindruckende Landschaft begeistern können.

Verschiedene Sedimentschichten, die seit dem Präkambrium abgelagert wurden, sind die Grundlage für das heutige Landschaftsbild, das durch Erosion nach der Heraushebung des Colorado-Plateaus geformt wurde. Im Grand Canyon ist der größte Teil dieser Schichten zu sehen. Die meisten Geologen stimmen überein, dass sich das Einzugsgebiet des heutigen Colorado River (zu dem der Grand Canyon gehört) vor 40 Millionen Jahren gebildet hat. Der Grand Canyon selbst ist höchstwahrscheinlich nicht viel älter als 5 bis 6 Millionen Jahre, wobei der Hauptteil der Tiefenerosion in den letzten zwei Millionen Jahren erfolgte.

Die Abfolge reicht vom metamorphen Grundgebirge (älteste Datierung liegt zurzeit bei 1840 Ma BP für den Elves Chasm Granite) im tiefsten Bereich der Inner Gorge bis zum 230 Millionen Jahre alten Kaibab Limestone am Canyonrand. Das polymetamorphe Grundgebirge wird diskordant von nicht metamorphen proterozoischen Sedimenten überlagert. Diese wurden später verkippt und dann im Kambrium ihrerseits von einer paläozoischen Schichtenfolge transgrediert. Wir verfügen deswegen über keine kontinuierlichen Aufzeichnungen, sondern sind mit zwei bedeutenden (und mehreren kleineren) Schichtlücken konfrontiert. Viele der Gesteinsformationen kamen entweder in warmen Flachmeeren, in Küstennähe (Strandbereich) oder in Sümpfen zur Ablagerung, synchron mit der mehrmals über den Kontinentalrand von Proto-Nordamerika oszillierenden Küstenlinie. Ausnahmen bilden der Coconino-Sandstein, den die meisten Geologen (aber durchaus nicht alle!) als Wüsten-Sanddünen interpretieren, sowie Teile der Supai Gruppe.

Die große Tiefe des Grand Canyon (rund 1600 Meter) und die Gesamtmächtigkeit seiner Schichtenabfolge (die meisten Schichten wurden unter Meeresniveau gebildet) lassen auf eine Heraushebung des Colorado Plateaus um 1500 bis 3000 Meter schließen. Dieser Hebungsprozess erfolgte im Zuge der laramischen Gebirgsbildung, die vor ca. 65-70 Mio. Jahren einsetzte und die Rocky Mountains entstehen ließ.

Durch die neu entstandene Barriere konnte der Colorado nun nicht mehr in seine ursprüngliche Richtung nach Südosten abfließen. Deshalb grub er sich ein neues Bett quer über das im Entstehen begriffene Colorado Plateau. Der Fluss bekam jetzt das Schmelzwasser der Rocky Mountains und zusätzlich mit dem größeren Gefälle hatte er wesentlich mehr erosive Kraft, um die Ausfräsung des Grand Canyons zu beginnen. Der Colorado floss nun durch Bruchzonen im Gestein, die durch die Anhebung des Colorado-Plateaus entstanden waren. Dort trug er das Gestein schneller ab, da es zerrüttet und ineinander verschoben war. Innerhalb von Millionen Jahren grub sich der Colorado immer tiefer ins Gestein ein. Heute arbeitet er an sehr harten und alten (1,8 - 1,4 Mrd. Jahre) Granitschichten im Grundgebirge. Da diese Schichten schwer zu erodieren sind, trägt der Colorado erst weichere Schichten an den Rändern ab (differentielle Erosion). Das hat zur Folge, dass die Schlucht heute mehr in die Breite als in die Tiefe wächst.

Mit der Öffnung des Golfs von Kalifornien vor ca. 5,3 Millionen Jahren wurde die Erosionsbasis des Colorado (oder seines Vorläufers) drastisch abgesenkt, was eine enorme Erhöhung seiner Erosionskraft bewirkte. Dadurch hatte er bereits vor 1,2 Millionen Jahren schon fast sein jetziges Niveau erreicht.

Während der Eiszeiten herrschten wesentlich niederschlagsreichere Verhältnisse im Einzugsgebiet des Ur-Colorado, als Folge erhöhte sich die Geschwindigkeit, mit der sich der Fluss in die Tiefe einschnitt.

Selbst die vor einer Million Jahren einsetzende vulkanische Tätigkeit am Westrand des Nationalparks (Uinkaret Volcanic Field), deren Aschen und Laven den Canyon einst verstopften, konnte den Kräften des Flusses auf Dauer nicht standhalten. Noch immer ist diese Stelle anhand der abweichenden Farbgebung gut erkennbar.

Die nächst jüngeren Sedimentschichten finden sich im Zion- und Bryce Canyon-Nationalpark, während die unterste und älteste Schicht im Zion Park mit der obersten und jüngsten Schicht im Grand Canyon identisch ist. Die im Zion Park oberste und damit auch jüngste Gesteinsschicht entspricht der untersten und ältesten Schicht im Bryce Canyon. Diese Gesteinsschichten spiegeln mehr als 150 Millionen Jahre Erdgeschichte wieder, wobei sich die meisten Sedimentationen im Mesozoikum abspielen. Vier sehr unterschiedliche Umwelteinflüsse bildeten die unterschiedlichen Schichten:
Ein flaches, warmes Meer, welches sich öfters zurückzog bildete die Kaibab und Moenkopi Schichten.
Bäche, Teiche und Seen sind für die Chinle, Moenave und Kayenta Schicht verantwortlich.
Ausgedehnte Wüsten formten die Navajo- und die Temple Cap-Schicht.
Trockene Küstenlandschaften führten zur Carmel- und Dakota-Schicht.

Der Zion Canyon wurde vom Virgin River geformt, wobei er bis zu 3 Millionen Tonnen Gestein pro Jahr abtrug. Die Nebenflüsse, die sich später bildeten, hatten einen wesentlich geringeren Abtrag, so dass sich zahlreiche Wasserfälle und hängende Gärten bildeten.

Als sich die Gegend im Zuge der Gebirgsbildung anhob, entstanden zahlreiche Seen, deren Sedimente den Basalt und Sandstein der jüngsten Schicht im Bryce Canyon bedeckten. Diese Seenplatte hatte etwa 20 Millionen Jahre Bestand und endete etwa vor 60 Millionen Jahren. Während dieser Zeit veränderten sich die Seen unter anderem durch klimatische Veränderungen. Durch starke Variation in der Größe und Tiefe hinterließen sie stark wechselnde Sedimentschichten.

Vor ca.16 Millionen Jahren erhob sich das Plateau um nahezu 1.000 Meter. Vor dieser Zeit befand sich das Gebiet fast auf Meeresspiegelhöhe. Das gesamte Plateau zerbrach dadurch in zahlreiche kleinere Plateaus.

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