Büyük Kanyon, doğanın muazzam gücünün bir kanıtı olarak, yüzyıllar boyunca süregelen karmaşık jeolojik süreçlerin bir sonucudur. Colorado Nehri'nin akışı, bu devasa yapının şekillenmesinde önemli bir rol oynamış olsa da, kanyonun oluşumu yalnızca bir su akıntısının etkisiyle değil, aynı zamanda yer kabuğundaki hareketler, iklim değişiklikleri ve erozyon gibi çeşitli etkenlerin bir araya gelmesiyle gerçekleşmiştir. Bu etkileyici doğal yapı, tarih boyunca birçok farklı jeolojik dönemden izler taşımaktadır ve bu yönüyle de bilim insanları için büyük bir araştırma alanı sunmaktadır.

Büyük Kanyon'un jeolojik oluşumu, Colorado Nehri'nin milyonlarca yıl boyunca kayaları aşındırmasıyla gerçekleşmiştir. Ancak, kanyonun oluşum süreci tek bir nehir sisteminin doğrusal ve sürekli aşındırmasından ziyade, farklı jeolojik dönemlerde bağımsız olarak kazınmış antik kanyon segmentlerinin Colorado Nehri'nin havza birleşimi (entegrasyonu) sonucunda birbirine bağlanmasıyla meydana gelmiştir. Başlıca oluşum süreçleri:

• Erozyon: Su, rüzgâr ve buz kayaları aşındırarak kanyon, vadi, peribacası ve sütunlar meydana getirir.
• Tektonik hareketler: Kıtaların, fayların ve dağ oluşum süreçlerinin etkisiyle yeryüzü yükselir, kırılır ve yeniden biçimlenir.

Büyük Kanyon’un duvarlarında bulunan kayaların, Dünya’nın yaşının yaklaşık üçte biri yaşında olduğuna inanılmaktadır. Ayrıca, yeni araştırmalara göre Ay'da bulunan Vallis Schrödinger ve Vallis Planck olarak adlandırılan kanyonların, büyük bir gök cisminin çarpmasıyla 10 dakika içinde oluştuğu ortaya konmuştur.