המסלע בפארק הלאומי גרנד טיטון כולל כמה מהסלעים העתיקים ביותר שניתן למצוא בפארק לאומי אמריקני כלשהו. הסלעים העתיקים ביותר שתוארכו הם בני 2,680 ± 12 מיליון שנים, אם כי משערים כי בפארק יש אפילו סלעים עתיקים יותר. סלעים מותמרים אלו, שנוצרו בעידן הארכאיקון (מלפני 4 מיליארד עד 2.5 מיליארד שנים), כוללים גנייס, צפחה ואמפיבוליטים. סלעים מותמרים הם הסוג הנפוץ ביותר בחלקים הצפוניים והדרומיים של רכס טיטון, והם מורכבים משכבות של סלעים געשיים, אבן חול, אבן גיר וסלעים חרסיתיים מסוגים שונים שעברו התמרה. לפני 2,545 מיליארד שנים חדרו סלעי יסוד גרניטיים לתוך הסלעים המותמרים, והם נראים כיום בחלק המרכזי של רכס טיטון, כולל גרנד טיטון והפסגות הסמוכות. סלעי הגרניט הבהירים של מרכז רכס טיטון יוצרים ניגוד לסלעי הגנייס המותמרים הכהים שניתן לראות במדרון הצפוני של הר מוראן. מחדרים של מאגמה של סלעי דיאבז מלפני 765 מיליון שנים הותירו דייקים שניתן לראות על המדרון המזרחי של הר מוראן ועל מידל טיטון. מחדרים של גרניט ופגמטיט עשו גם את דרכם לתוך סדקים בגנייס העתיק. סלעים מהפרקמבריון קבורים עמוק בעמק ג'קסון הול מתחת למשקעים געשיים וסלעי משקע מאוחרים יותר יחסית מהשלישון, כמו גם משקעים קרחוניים מהפליסטוקן.
לקראת סוף הפרקמבריון היה האזור שקוע מדי פעם תחת ימים רדודים, ובמשך 500 מיליון שנים נוצרו סוגים שונים של סלעי משקע. במהלך עידן הפלאוזואיקון (מלפני 542 מיליון עד לפני 251 מיליון שנים) הושקעו סלעי אבן חול, פצלים, אבן גיר ודולומיט. אף שמרבית סלעי משקע אלו נסחפו מאז ממרכז רכס טיטון, הם עדיין נוכחים במדרונות הצפוניים, הדרומיים והמערביים של הרכס. לכן סלעי המשקע של תצורת פלטהד (Flathead Formation) המכסה את פסגת הר מוראן הם דווקא מקרה יוצא דופן. השיכוב של סלעי המשקע באגן אלסקה (Alaska Basin), השוכן בגבול המערבי של הפארק הלאומי גרנד טיטון, מתאר את תולדות ההשקעה בת 120 מיליון השנים. מאובנים שנתגלו בסלעי המשקע בפארק כוללים אצות, ברכיופודים וטרילוביטים.
בתקופת המזוזואיקון (מלפני 250 מיליון עד לפני 66 מיליון שנים) התחלפה סביבת ההשקעה מדי פעם מסביבה ימית ליבשתית, וחוזר חלילה. חומרי הבליה מעידן הפלאוזואיקון שקעו בימים חמימים ורדודים וכך נוצרו סלעים פחמתיים (קרבונטיים) לצד אבני חול וחרסיות. יצירת סלעי המשקע נמשכה במהלך המזוזואיקון, ועורקים של פחם שנמצאו בשכבות סלעי המשקע מעידים שהאזור היה מיוער בצפיפות במהלך עידן זה. עורקי פחם רבים בעובי בין 1.5 ל-3 מטרים משולבים באבן טין, אבן חרסית וסלעי משקע אחרים. בשלהי הקרטיקון השקיעה קשת געשית המכונה "קשת סיריאן" (Sierran Arc) ממערב לאזור אפר געשי דק-גרגיר ששהפך אחר-כך לבנטוניט, מינרל שיש לו חשיבות כלכלית. בסוף עידן המזוזואיקון כיסתה השלוחה הימית המכונה "הים הפנימי המערבי של הקרטיקון" את האזור.
משלהי המזוזואיקון ועד ימינו עבר האזור סדרה של רצפים של התרוממות וסחיפה. החל מלפני 66 מיליון שנים יצרה האורוגנזה הלרמידית, תקופה של בניית הרים וסחיפה במערב אמריקה הצפונית, את הרי הרוקי. תהליך זה ביטל את הים הפנימי המערבי של הקרטיקון ויצר מערכת העתקים שלאורכן התרוממו הרמות של צפון אמריקה. מחזורים אלו של התרוממות וסחיפה הותירו מאחוריהם אחד מהרצפים השלמים ביותר של סלעים מהקנוזואיקון שלא ממקור ימי באמריקה הצפונית. סלעי קונגלומרט הבנויים מקוורציט ומשולבים עם אבן בוץ ואבני חול הושקעו במהלך סחיפה של רכס הרים שנעלם מאז והיה קיים צפונית-מערבית לרכס טיטון הנוכחי. המשקעים מכילים גם כמויות מזעריות של זהב וכספית. התפרצויות געשיות במהלך האאוקן והאוליגוקן מרכס אבסרוקה (Absaroka Range) הקדמוני קברו את האזור תחת משקעים געשיים שונים. אגן שבו החלו להצטבר משקעים התפתח באזור בשל התפתחות העתקים תוך יצירת עמק ג'קסון הול הקדמוני ובהגיע הפליוקן (לפני 10 מיליון שנים), גם את אגם ג'קסון הקדמוני הידוע כאגם טיווינוט (Teewinot Lake). רכס טיטון החל לגדול לאורך מערכת ההעתקים שכיוונה צפון-דרום בתקופת המיוקן לפני 9 מיליון שנים. אז, החל בתקופת הפליוקן, כיסה אגם טיווינוט לסירוגין את עמק ג'קסון הול והשאיר משקעים עבים על קרקעית האגם. האגם כבר היה יבש כשסדרה של תקופות קרח בתקופת הפליסטוקן גרמו להופעת קרחונים גדולים ברכס טיטון וברכסים אחרים. בזמן תקופת הקרח הקרה ביותר התלכדו כל הקרחונים כחלק מ"מעטה הקרח הקנדי". הקרחונים סחפו אתם את כל הקרקע מעמק ג'קסון הול ומהעמקים הסמוכים. תנועת בלית, סחיפה ופעילות של הקרחונים במהלך הרביעון השקיעו באופן פעיל קרקעות וסחופת סלעים בכל רחבי עמק הנהר סנייק של ג'קסון הול והותירו מאחוריהם מורנות קצה שסכרו את האגמים הנוכחיים. הדוגמה האחרונה ביותר של השינוי המהיר של הנוף התרחשה ב-1925 בסמוך ממזרח לפארק, כאשר מפולת האדמה גרוס ונטר (Gros Ventre landslide) שנגרמה מהפשרת השלגים באביב של שלג רב כמו גם גשמים כבדים.
אקולוגיה.
הפארק הלאומי גרנד טיטון הוא חלק מילוסטון רבתי, המערכת האקולוגית הגדולה של ילוסטון, שבה נכלל גם הפארק הלאומי ילוסטון; מערכת אקולוגית זו היא אחת מהמערכות אקולוגיות הגדולות ביותר שלא ניזוקו מתוך המערכות האקולוגית של האקלים הממוזג שנותרו בכדור הארץ. בעלי חיים רבים נעים בין הפארק הלאומי גרנד טיטון לשאר שטח המערכת האקולוגית הגדולה של ילוסטון; לפארק הלאומי ילוסטון וליערות האזור.
צמחייה.
סוגי הצמחייה באזורים שונים בפארק מושפעים מפרמטרים שונים: הרום שבו הצמח גדל, סוג האדמה, מידת קרבה למקורות המים בפארק ומידת הלחות באזור וכדומה; לרוב, צמחים דומים, שצריכים תנאים דומים, גדלים במקובץ באזורים מסוימים בפארק. ניתן לחלק את הצמחייה לחמישה אזורים עיקריים: יערות, צמחיית אזורים אלפיניים או ארקטיים (טונדרה), צמחיית מישור או ערבה, צמחיית אדמת ביצה וצמחיית אזור גדות הנחלים.
ביערות העד שבפארק גדלים שבעה מיני עצים מחטניים, ולמעלה מ-900 מיני צמחים בעלי פרחים. יערות העד הם השולטים באזורים ההרריים של רכס טיטון. השינויים הגדולים יחסית בטמפרטורה בין הימים ללילות, הקרינה העל-סגולה שמחזיר השלג בעוצמה ותנאי הגידול הקשים באדמה המושלגת מקשים על הצמחים העדינים והפרחים, ולכן רבים מהם, בהם הזכריני, נסגרים בלילה.
למעלה מאלף מינים של צמחים וסקולאריים גדלים בפארק הלאומי גרנד טיטון וסביבתו.בשל הפרשי הגובה בפארק המגיעים מעל ל-2,100 מטרים יש בו כמה אזורים אקולוגיים שונים כולל טונדרה אלפינית, האזור התת-אלפיני של הרי הרוקי שבו שולטים יערות אשוח-אשוחית, וקרקעית העמק, שבה יערות מעורבים של מחטניים ונשירים גדלים במקומות שבהן הקרקעות טובות יותר מעורבים עם ערבות שיחים הגדלים על משקעי סחף. בנוסף, ביצות סמוך לכמה אגמים ובקרקעית העמק סמוך לנהרות ופלגי מים מכסות שטחים נרחבים, בייחוד לאורך הנהר סנייק בסמוך לאוקסבואו בנד (Oxbow Bend) בסמוך מוראן ווילואו פלטס (Willow Flats) בסמוך לאכסניית אגם ג'קסון. הגובה, הקרקעות הזמינות, אירועים של שרפת יערות, מפולות שלגים ופעילות אנושית הם גורמים שיש להם השפעה ישירה על מיני הצמחים בסביבה הקרובה. אזור שבו גומחות שונות אלו חופפות קרוי אקוטון.
הרום בפארק הלאומי גרנד טיטון משפיע על מיני הצמחים הנמצאים בגבהים השונים. באזור האלפיני שמעל לקו העצים, שבפארק הלאומי גרנד טיטון הוא בערך החל מ-3,000 מטרים, שוררים תנאי טונדרה. באזור נטול עצים זה גדלים מאות מינים של עשב, פרחי בר, טחבי עלים וחזזיות. באזור התת-אלפיני, מקו העצים לבסיס ההרים, שולטים אורן לבן-קליפה ("Pinus albicaulis"), אורן גמיש ("Pinus flexilis"), אשוח תת-אלפיני ואשוחית אנגלמן. על קרקעית העמק העץ הנפוץ ביותר הוא אורן מפותל, אבל גם אשוח דאגלס ואשוחית כחולה ("Picea pungens") גדלים באזור זה, אם כי באזורים היבשים יותר, בעוד צפצפה רעדנית, צפצפה משולשת ("Populus deltoides"), אלנוס וערבה גדלים, בדרך כלל, באזורים לחים לצד הנהרות, פלגי מים, ביצות ואגמים. עם זאת, השטחים שמעל ערוץ הנהר סנייק הם ערבות שיחים (sagebrush plains) ובמונחי גודל שטח זהו בית הגידול הגדול ביותר בפארק. בערבות השיחים גדלים כ-100 מינים של עשבים ופרחי בר. בקטעים הגבוהים במקצת של המישורים בחלקים הצפוניים של ג'קסון הול יש איים של יערות, כשהדוגמה הבולטת היא "טימברד איילנד" (Timbered Island, אי גזעי העצים). באקוטון זה, איים של יערות המוקפים בשטחים נרחבים של שיחים מהווים במהלך היום מחסה למינים שונים של בעלי חיים אוכלי-צמחים. בלילה יוצאים בעלי החיים לתור אחר מזון בערבת השיחים הסמוכה.