Výsledkem eroze je jeden z nejúplnějších geologických sloupů (vrstev hornin) na naší planetě. V Grand Canyonu a v oblasti národního parku Grand Canyon je odhaleno téměř 40 hlavních vrstev sedimentárních hornin. Jejich stáří se pohybuje od přibližně 200 milionů do téměř 2 miliard let.
Většina z nich byla uložena v teplých, mělkých mořích poblíž dávných, dávno zaniklých mořských pobřeží v západní části Severní Ameriky. Zastoupeny jsou jak mořské, tak suchozemské sedimenty, včetně zkamenělých písečných dun z dávné pouště. V geologickém záznamu je známo nejméně 14 nesouladů, které se nacházejí v oblasti Velkého kaňonu.
Stáří hlavních hornin v Grand Canyonu se pohybuje od téměř 2 miliardy let staré břidlice Vishnu na dně Vnitřní soutěsky až po 230 milionů let starý vápenec Kaibab na okraji.
Na obrázku je vidět, že mezi vrstvou starou asi 500 milionů let (modrá) a spodní vrstvou, která je nahoře stará asi 1,5 miliardy let (zelená), je rozdíl asi jedné miliardy let. Tento velký nesoulad ukazuje na období eroze mezi dvěma obdobími usazování.
Mnohé z těchto útvarů se ukládaly v teplých mělkých mořích, v pobřežním prostředí (např. na plážích) a v bažinách. Mořské pobřeží opakovaně postupovalo a ustupovalo přes okraj protoseverní Ameriky.
Velká hloubka Grand Canyonu a zejména výška jeho vrstev (z nichž většina vznikla pod úrovní hladiny moře) byla způsobena vyzdvižením Coloradské plošiny o 5000 až 10 000 stop (1500 až 3000 m). To začalo asi před 65 miliony let během laramidového období orogeneze (budování pohoří). Tento vzestup zvýšil sklon řeky Colorado a jejích přítoků, což zvýšilo jejich rychlost a schopnost prorážet skály.
Povětrnostní podmínky během doby ledové také zvýšily množství vody v odvodňovacím systému řeky Colorado. Dávná řeka Colorado na to reagovala rychlejším a hlubším korytem.
Základní hladina a koryto řeky Colorado (nebo jejího původního ekvivalentu) se změnily před 5,3 miliony let, kdy se otevřel Kalifornský záliv a snížil základní hladinu řeky (její nejnižší bod). Tím se zvýšila rychlost eroze a před 1,2 milionu let se snížila téměř celá současná hloubka Velkého kaňonu. Stupňovitý vzhled skal byl způsoben jejich rozdílným odporem vůči proudění vody.
Před třemi miliony až 100 000 lety se v oblasti rozprostřel sopečný popel (tuf) a láva, které občas řeku zcela zablokovaly. Tyto sopečné horniny jsou v kaňonu nejmladší.
