Das Ergebnis der gesamten Erosion ist eine der vollständigsten geologischen Säulen (Stapel von Gesteinsschichten) auf dem Planeten. Im Grand Canyon und im Gebiet des Grand Canyon Nationalparks sind fast 40 größere Sedimentgesteinsschichten freigelegt. Ihr Alter reicht von etwa 200 Millionen bis zu fast 2 Milliarden Jahren.
Die meisten wurden in warmen, flachen Meeren in der Nähe alter, längst vergangener Meeresküsten im Westen Nordamerikas niedergelegt. Sowohl marine als auch terrestrische Sedimente sind vertreten, darunter versteinerte Sanddünen aus einer alten Wüste. Es gibt mindestens 14 bekannte Diskordanzen in den geologischen Aufzeichnungen, die im Gebiet des Grand Canyon gefunden wurden.
Die wichtigsten Gesteinsexpositionen im Grand Canyon reichen im Alter vom fast 2 Milliarden Jahre alten Vishnu-Schiefer am Grund der Inneren Schlucht bis zum 230 Millionen Jahre alten Kaibab-Kalkstein am Rand.
In der Abbildung ist eine Lücke von etwa einer Milliarde Jahre zwischen der etwa 500 Millionen Jahre alten Schicht (blau) und der unteren Schicht, die oben etwa 1,5 Milliarden Jahre alt ist (grün), dargestellt. Diese große Diskordanz deutet auf eine Erosionsperiode zwischen zwei Ablagerungsperioden hin.
Viele der Formationen wurden in warmen flachen Meeren, küstennahen Umgebungen (wie Stränden) und Sümpfen abgelagert. Die Meeresküste rückte wiederholt vor und zog sich über den Rand eines Proto-Nordamerikas zurück.
Die große Tiefe des Grand Canyons und vor allem die Höhe seiner Schichten (von denen die meisten unterhalb des Meeresspiegels gebildet wurden) wurde durch die Hebung des Colorado-Plateaus um 1500 bis 3000 m (5.000 bis 10.000 Fuß) verursacht. Dies begann vor etwa 65 Millionen Jahren während der Laramid-Periode der Orogenese (Gebirgsbildung). Diese Hebung verstärkte das Gefälle des Colorado River und seiner Nebenflüsse, was ihre Geschwindigkeit und ihre Fähigkeit, Gestein zu durchschneiden, erhöhte.
Die Witterungsbedingungen während der Eiszeiten erhöhten auch die Wassermenge im Entwässerungssystem des Colorado River. Der angestammte Colorado River reagierte darauf, indem er seinen Kanal schneller und tiefer schnitt.
Der Grundwasserspiegel und der Flusslauf des Colorado (oder sein angestammtes Äquivalent) änderten sich vor 5,3 Millionen Jahren, als der Golf von Kalifornien sich öffnete und den Grundwasserspiegel des Flusses (seinen tiefsten Punkt) absenkte. Dies erhöhte die Erosionsrate und verringerte vor 1,2 Millionen Jahren fast die gesamte heutige Tiefe des Grand Canyon. Das abgestufte Aussehen der Felsen wurde durch ihren unterschiedlichen Widerstand gegen das Fließen des Wassers verursacht.
Vor drei Millionen bis 100.000 Jahren verbreitete vulkanische Aktivität Asche (Tuff) und Lava über das Gebiet und blockierte den Fluss zeitweise vollständig. Diese Vulkangesteine sind die jüngsten in der Schlucht.
