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Anche se la sua impressionante grandezza e bellezza sono le maggiori attrazioni del Grand Canyon, forse il suo aspetto più vitale e prezioso sta nella scala temporale della storia della Terra che si rivela nelle rocce esposte delle pareti del canyon. Nessun altro luogo sulla Terra è paragonabile al Grand Canyon per la sua vasta e profonda documentazione di eventi geologici. Il record del canyon, tuttavia, è lungi dall’essere continuo e completo. Ci sono immense lacune nel tempo; molti milioni di anni non sono contabilizzati, a causa di lacune negli strati che sono risultati sia da grandi quantità di materiali rimossi dall’erosione o perché c’era poca o nessuna deposizione di materiali. Così, formazioni rocciose di età considerevolmente diverse sono separate solo da una sottile superficie distinta che rivela la grande incongruenza nel tempo.

In breve, la storia geologica degli strati del canyon è la seguente. Le rocce cristallizzate, contorte e contorte non stratificate della gola interna in fondo al canyon sono graniti e scisti dell’Archeano vecchi più di 2,5 miliardi di anni. Sopra queste rocce molto antiche c’è uno strato di calcari, arenarie e scisti del Proterozoico che hanno più di 540 milioni di anni. Sopra di loro ci sono strati di roccia paleozoica composti da altri calcari, scisti d’acqua dolce e arenarie cementate che formano gran parte delle pareti del canyon e rappresentano un periodo di deposizione di oltre 300 milioni di anni. Sopra queste rocce nel record geologico ordinario dovrebbe essere una spessa sequenza di rocce mesozoiche (circa 250 a 65 milioni di anni), ma le rocce risalenti all’era mesozoica nel Grand Canyon sono stati interamente erosi via. Le rocce mesozoiche si trovano comunque nel vicino Utah meridionale, dove formano resti di butte precipitose e terrazze vermiglie, bianche e rosa. Di origine relativamente recente sono strati sovrastanti di lava nera e coni vulcanici che si verificano a poche miglia a sud-est del canyon e nel Grand Canyon occidentale vero e proprio, alcuni stimati per essere stati attivi negli ultimi 1.000 anni. (Vedi anche Grand Canyon Series.)

Il taglio del Grand Canyon, profondo un miglio, da parte del fiume Colorado è un evento di storia geologica relativamente recente, iniziato non più di sei milioni di anni fa, quando il fiume ha iniziato a seguire il suo corso attuale. La rapida velocità e il grande volume del fiume Colorado e le grandi quantità di fango, sabbia e ghiaia che trasporta rapidamente a valle spiegano l’incredibile capacità di taglio del fiume. Prima della costruzione della diga del Glen Canyon, i sedimenti trasportati dal Colorado River erano misurati ad una media di 500.000 tonnellate al giorno. Le condizioni favorevoli a un’erosione vigorosa sono state determinate dal sollevamento della regione, che ha reso più ripido il percorso del fiume e ha permesso di scavare in profondità. La profondità del Grand Canyon è il risultato dell’azione di taglio del fiume, ma la sua grande larghezza si spiega con la pioggia, il vento, la temperatura e l’erosione chimica, aiutata dalla rapida usura delle rocce morbide, che hanno costantemente allargato il canyon. Un esperimento è stato condotto nel marzo 2008, in cui l’acqua equivalente a circa il 40% del flusso originale del fiume è stata rilasciata dalla diga del Glen Canyon per un periodo di 60 ore per misurare l’erosione e la deposizione di sedimenti lungo il fiume. I ricercatori che hanno monitorato l’esperimento hanno notato un ulteriore deposito di sabbia in numerose località lungo il fiume dopo il rilascio.

L’aspetto più significativo dell’ambiente che è responsabile del canyon è spesso trascurato o non riconosciuto. Se non fosse per il clima semiarido nella zona circostante, non ci sarebbe nessun Grand Canyon. Il lavaggio dei pendii a causa delle precipitazioni avrebbe rimosso le pareti del canyon, la topografia a gradini sarebbe stata scavata da tempo, le caratteristiche sculture e le strutture rocciose multicolori non potrebbero esistere, il Painted Desert a sud-est del canyon lungo il Little Colorado River non ci sarebbe più, e la pittoresca Monument Valley a nord-est vicino al confine di stato dello Utah avrebbe solo alcune collinette arrotondate.