Het resultaat van alle erosie is een van de meest complete geologische kolommen (stapels rotslagen) op aarde. Er zijn bijna 40 belangrijke sedimentaire gesteentelagen blootgelegd in de Grand Canyon en in het gebied van het Grand Canyon National Park. Ze variëren in leeftijd van ongeveer 200 miljoen tot bijna 2 miljard jaar oud.
De meeste werden afgezet in warme, ondiepe zeeën, in de buurt van oude, lang vervlogen zeekusten in het westen van Noord-Amerika. Zowel mariene als terrestrische sedimenten zijn vertegenwoordigd, waaronder gefossiliseerde zandduinen uit een oude woestijn. Er zijn ten minste 14 bekende oneffenheden in de geologische gegevens van het Grand Canyon gebied.
De belangrijkste rotsformaties in de Grand Canyon variëren in leeftijd van de bijna 2 miljard jaar oude Vishnu Schist op de bodem van de Inner Gorge tot de 230 miljoen jaar oude Kaibab Limestone aan de rand.
In het diagram is er een gat van ongeveer een miljard jaar tussen de laag die ongeveer 500 miljoen jaar oud is (blauw) en het lagere niveau, dat bovenaan ongeveer 1,5 miljard jaar oud is (groen). Deze grote onregelmatigheid wijst op een periode van erosie tussen twee perioden van afzetting.
Veel van de formaties werden afgezet in warme ondiepe zeeën, kustmilieus (zoals stranden) en moerassen. De zeekust rukte herhaaldelijk op en trok zich terug over de rand van een proto-Noord-Amerika.
De grote diepte van de Grand Canyon en vooral de hoogte van de lagen (waarvan de meeste onder zeeniveau zijn gevormd) is veroorzaakt door 1500 tot 3000 meter opheffing van het Colorado Plateau. Dit begon ongeveer 65 miljoen jaar geleden tijdens de Laramide periode van orogenese (bergopbouw). Door deze opheffing werd de helling van de Colorado River en zijn zijrivieren steiler, waardoor hun snelheid en hun vermogen om door rotsen te snijden toenam.
De weersomstandigheden tijdens de ijstijden verhoogden ook de hoeveelheid water in het afwateringssysteem van de Colorado River. De voorouderlijke Colorado River reageerde hierop door zijn kanaal sneller en dieper af te snijden.
Het basisniveau en de loop van de Colorado rivier (of zijn voorouderlijke equivalent) veranderde 5,3 miljoen jaar geleden toen de Golf van Californië zich opende en het basisniveau (het laagste punt) van de rivier verlaagde. Dit verhoogde de erosiesnelheid en sneed 1,2 miljoen jaar geleden bijna de gehele huidige diepte van de Grand Canyon af. Het getrapte uiterlijk van de rotsen werd veroorzaakt door hun verschillende weerstand tegen de waterstroom.
Tussen drie miljoen en 100.000 jaar geleden verspreidde vulkanische activiteit as (tufsteen) en lava over het gebied en blokkeerde de rivier soms volledig. Deze vulkanische rotsen zijn de jongste in de canyon.
