Каньон этот образовался не в итоге катаклизмов, что казалось бы естественным, а в результате медленной, но упорной работы реки. Около 10 млн. лет тому назад, где-то в середине плиоцена, Колорадо текла здесь по огромной низменной равнине, которая затем начала очень медленно подниматься. Река несколько ускорила свой бег. Поднятие земли продолжалось, но река успевала промывать себе русло. Почти не меняя направления, она прорезала себе путь быстрее, чем скрытые силы земли поднимали поверхность, ныне именуемую плато Кайбаб.
Но река, действуй она в одиночку, прорезала бы лишь очень узкое ущелье. Расширить каньон в среднем до 16 км помогли оползни, талые воды и ожесточенные летние грозы с ливнями. Песок и камень скатывались в быструю реку и становились абразивами, помогающими углублять дно реки и самого каньона. И в настоящее время Колорадо ежесуточно выносит из каньона в среднем по полмиллиона тонн глины и песка. Такой же груз камней река перекатывает по своему дну. И так — из года в год.
В результате этой титанической работы не просто прорезана земная кора на глубину более полутора километров — река создала здесь едва ли не самые полные в мире геологические обнажения, на которых представлена история Земли за 2,5 млрд. лет.
Большой Каньон Колорадо — это одновременно и захватывающее зрелище, и богатейший материал для исследований. Обнажения эти многократно описывались и изучались. Их продолжают исследовать и будут изучать еще бесконечно долго.
Первые (сверху) 150 м занимают серые, буро-желтые и красные кай-бабские известняк и песчаник с обилием морских моллюсков, кораллов и губок. Далее — стометровый слой желтоватого песчаника, под ним — семидесятиметровый слой красного песчано-глинистого сланца уже с отпечатками пресноводных организмов, а также примитивных хвойных и папоротников.
Нижнепермские (здесь их называют «супайские», по имени индейского племени супаев) образования представляют собой наиболее мощный двухсотпятидесятиметровый слой песчаника и сланцев. В этих красных с серым отложениях также найдены ископаемые растения и наземные животные различных групп.
Отложения нижнего карбона мощностью около 150 м представлены известняком из красных раковин и кораллов.
Бледно-пурпурные девонские отложения с отпечатками чешуи древних рыб прослеживаются в тонком слое, занимающем чаще меньше Юм. Среди кембрийских образований выделяется 150 — 200-метровый пласт сланцев. В этих зеленовато-серых отложениях древних морских отмелей находят моллюсков, трилобитов и ракообразных.
Еще ниже строгое чередование слоев нарушается. Коричневый песчаник нижнего кембрия с древними моллюсками лишь в немногих местах выходит на поверхность.
Ниже 300–400 м начинается так называемое Гранитное ущелье, в котором, строго говоря, гранит не самая представительная порода, хотя мощные интрузии его и проявляются в некоторых местах. Докембрийские слои (протерозойские и архейские) представлены пурпурными кварцитами, красными сланцами со следами струйчатости, соленой жирной глиной, трещинами высыхания и сланцами с первыми следами жизни на Земле.
Само ложе р. Колорадо сложено из черных кристаллических сланцев и гнейсов с розовыми или белыми интрузиями гранитных пегматитов. Исключительный интерес Большого Каньона для науки был ясен с момента его открытия. Несомненно было и познавательно-просветительное значение этого уникального природного образования.
Предложение об организации национального парка в районе Большого Каньона было выдвинуто еще в 1887 г. сенатором Б. Гаррисоном, который, будучи избран в 1893 г. президентом США, и создал лесной резерват Большой Каньон. Через 15 лет президент Теодор Рузвельт объявил Большой Каньон национальным памятником природы, а в 1919 г. конгресс принял закон об организации национального парка Гранд-Каньон.
Парк занимает около 170 км среднего течения р. Колорадо и участок плато Кайбаб длиною 80 км с запада на восток и шириной 40 км с севера на юг. Площадь парка —270 тыс. га. С запада к национальному парку Гранд-Каньон примыкает одноименный национальный памятник, а с севера — национальный лес Кайбаб.
В национальном парке Гранд-Каньон выделяют пять различных природных участков, что определяется главным образом различиями их высот.
Зимой нередко бывает так, что наверху идет снег, а в глубине ущелья температура около + 10°. В летнее время на верхних уступах, где расположены все туристские центры, температура по ночам падает до +5-10° при дневной в 25 30°. На дне каньона в это время столбик термометра поднимается выше 40°.
Кроме того, Большой Каньон является биогеографическим барьером, труднопреодолимым для многих растений и животных; в связи с этим отмечены заметные различия в фауне и флоре, растительности и животном населении на северном и южном склонах и уступах каньона. Так, известная кайбабская желтая сосна и голубая ель северной части парка совсем не встречаются на юге Национального парка, где вообще хвойные низкорослы и редки.