Le résultat de toute cette érosion est l'une des colonnes géologiques (empilements de couches rocheuses) les plus complètes de la planète. Il y a près de 40 grandes couches de roches sédimentaires exposées dans le Grand Canyon et dans la zone du parc national du Grand Canyon. Leur âge varie d'environ 200 millions à près de 2 milliards d'années.
La plupart ont été couchés dans des mers chaudes et peu profondes, près d'anciens rivages marins disparus de l'ouest de l'Amérique du Nord. Les sédiments marins et terrestres sont représentés, y compris des dunes de sable fossilisées provenant d'un ancien désert. Il y a au moins 14 discordances connues dans les archives géologiques trouvées dans la région du Grand Canyon.
Les principales roches exposées dans le Grand Canyon sont d'âges divers, allant du schiste de Vishnu, vieux de près de 2 milliards d'années, au fond de la gorge intérieure, à la pierre calcaire de Kaibab, vieille de 230 millions d'années, sur le bord.
Comme le montre le diagramme, il y a un écart d'environ un milliard d'années entre la strate qui a environ 500 millions d'années (en bleu) et le niveau inférieur, qui a environ 1,5 milliard d'années au sommet (en vert). Cette grande discordance indique une période d'érosion entre deux périodes de dépôt.
Beaucoup de ces formations ont été déposées dans des mers chaudes peu profondes, des environnements proches du rivage (comme les plages) et des marécages. Le bord de mer a avancé et reculé à plusieurs reprises sur le bord d'une proto- Amérique du Nord.
La grande profondeur du Grand Canyon et surtout la hauteur de ses strates (dont la plupart se sont formées sous le niveau de la mer) ont été causées par le soulèvement de 1500 à 3000 m du plateau du Colorado. Ce phénomène a commencé il y a environ 65 millions d'années, pendant la période de l'orogenèse Laramide (formation de montagnes). Ce soulèvement a accentué la pente du fleuve Colorado et de ses affluents, ce qui a augmenté leur vitesse et leur capacité à couper la roche.
Les conditions météorologiques pendant les périodes glaciaires ont également augmenté la quantité d'eau dans le système de drainage du fleuve Colorado. L'ancestral fleuve Colorado a réagi en coupant son chenal plus rapidement et plus profondément.
Le niveau de base et le cours du fleuve Colorado (ou son équivalent ancestral) ont changé il y a 5,3 millions d'années lorsque le golfe de Californie a ouvert et a abaissé le niveau de base du fleuve (son point le plus bas). Cela a augmenté le taux d'érosion et a réduit la profondeur actuelle du Grand Canyon de presque toute sa longueur il y a 1,2 million d'années. L'aspect étagé des roches a été causé par leur résistance variable à l'écoulement de l'eau.
Il y a entre trois millions et 100 000 ans, l'activité volcanique a répandu des cendres (tuf) et de la lave sur la région et a parfois complètement bloqué la rivière. Ces roches volcaniques sont les plus jeunes du canyon.
