O resultado de toda a erosão é uma das colunas geológicas mais completas (pilhas de camadas rochosas) do planeta. Há quase 40 grandes camadas de rochas sedimentares expostas no Grand Canyon e na área do Parque Nacional do Grand Canyon. Elas variam em idade de cerca de 200 milhões a quase 2 bilhões de anos de idade.
A maior parte foi depositada em mares quentes e rasos, perto das antigas e longínquas costas marítimas do oeste da América do Norte. Tanto sedimentos marinhos quanto terrestres estão representados, incluindo dunas de areia fossilizadas de um antigo deserto. Há pelo menos 14 inconformidades conhecidas no registro geológico encontrado na área do Grand Canyon.
As principais exposições rochosas no Grand Canyon variam em idade desde o Vishnu Schist de quase 2 bilhões de anos no fundo do Desfiladeiro Inner Gorge até o calcário Kaibab de 230 milhões de anos na borda.
Mostrado no diagrama, há um intervalo de cerca de um bilhão de anos entre o estrato que tem cerca de 500 milhões de anos (azul) e o nível inferior, que tem cerca de 1,5 bilhão de anos no nível superior (verde). Esta grande inconformidade indica um período de erosão entre dois períodos de deposição.
Muitas das formações foram depositadas em mares quentes e rasos, ambientes próximos à costa (como praias), e pântanos. A costa do mar avançou e recuou repetidamente sobre a borda de um protótipo da América do Norte.
A grande profundidade do Grand Canyon e especialmente a altura de seus estratos (a maioria dos quais formados abaixo do nível do mar) foi causada pela elevação de 5.000 a 10.000 pés (1500 a 3000 m) do Planalto do Colorado. Isto começou há cerca de 65 milhões de anos durante o período de orogenia de Laramide (construção de montanhas). Esta elevação acentuou a inclinação do Rio Colorado e seus afluentes, o que aumentou sua velocidade e sua capacidade de cortar através da rocha.
As condições meteorológicas durante a era do gelo também aumentaram a quantidade de água no sistema de drenagem do Rio Colorado. O ancestral Rio Colorado respondeu cortando seu canal mais rápida e profundamente.
O nível e curso do rio Colorado (ou seu equivalente ancestral) mudou há 5,3 milhões de anos quando o Golfo da Califórnia abriu e baixou o nível da base do rio (seu ponto mais baixo). Isto aumentou a taxa de erosão e reduziu quase toda a profundidade atual do Grand Canyon em 1,2 milhões de anos atrás. O aparecimento gradual das rochas foi causado por sua resistência variada ao fluxo de água.
Entre três milhões e 100.000 anos atrás, a atividade vulcânica espalhou cinzas (tufo) e lava sobre a área e, às vezes, bloqueou completamente o rio. Estas rochas vulcânicas são as mais jovens do cânion.
