כרכס ההרים הצעיר ביותר בהרי הרוקי, רכס טיטון החל להיווצר בין לפני 9 ל-6 מיליון. כיוונו בערך מצפון לדרום, והוא מתנשא בחטף מקרקעית עמק ג'קסון הול, מבלי שיש לו אזור מתון של מרגלות ההר, לאורך חזית פעילה של גושים מועתקים (fault-block). אורכו כ-65 קילומטרים ורוחבו נע בין 11 ל-14 קילומטרים, ופסגותיו מכוסות בשלג במשך כל עונות השנה. הרכס נוטה מערבה, מתרומם בחטף מעל עמק ג'קסון הול השוכן ממזרח אבל משתפל בהדרגה מערבה לתוך עמק טיטון. סדרה של רעידות אדמה לאורך העתק טיטון (Teton Fault) הניעה באיטיות את הצד המערבי של ההעתק למעלה ואת הצד המזרחי למטה בקצב ממוצע של כ-3 סנטימטרים כל 300–400 שנים. מרבית התזוזה של ההעתק התרחשה ב-2 מיליון השנים האחרונות. אף שבשל ההעתק היו רעידות אדמה עד דרגה 7.5 בסולם מרקאלי מאז שנוצר, הוא היה שקט יחסית בתקופות ההיסטוריות, כאשר רק מעט רעידות אדמה בדרגה 5.0 או גבוהה יותר התרחשו מאז 1850.
מעבר לגרנד טיטון, שגובהו 4,199 מטרים (13,775 רגל) יש עוד תשע פסגות מעל גובה 12,000 רגל (3,700 מטרים) מעל גובה פני הים. שמונה מפסגות אלו בין קניון אוואלנש (Avalanche Canyon) לקניון קסקייד (Cascade Canyon) מהווים את קבוצת קתדרלה (Cathedral Group) המופיעה בצילומים לעיתים קרובות. הפסגה הבולטת ביותר צפונית לקניון קסקייד היא הר מוראן המונוליתי (3,842 מטרים) המתנשא לגובה של 1,746 מטרים מעל אגם ג'קסון. צפונית להר מוראן הרכס מתלכד עם רמת ילוסטון הגבוהה. דרומית לקבוצת קתדרלה רכס טיטון הולך ונעשה צר סמוך למעבר טיטון ומתמזג לתוך רכס הנהר סנייק (Snake River Range).
הקניונים שכיוונם מזרח-מערב מאפשרים גישה קלה יותר ברגל ללב הרכס כיוון שאין כבישים לכלי רכב החוצים את הרכס פרט למעבר טיטון, השוכן דרומית לפארק. הנקודה הנמוכה ביותר בקניונים, שנחצבו בפעילות קרחונים כמו גם על ידי מספר רבים של פלגי מים, היא לאורך השוליים המזרחיים של הרכס בג'קסון הול. הקרחונים זרמו מהמקומות הגבוהים לנמוכים ויצרו יותר מתריסר עמקים בצורת U ברחבי הרכס. קניון קסקייד דחוק בין הר אוון (Mount Owen) והר טיווינוט (Teewinot Mountain) מדרום ו"סימטרי ספייר" (Symmetry Spire - "צריח הסימטריה") מצפון ושוכן צמוד ממערב לאגם ג'ני. הקניונים החוצים את רכס טיטון מצפון לדרום הם: וב (Webb Canyon), מוראן (Moran Canyon), פיינטברש (Paintbrush Canyon – "מברשת הצבע"), קסקייד, דת' (Death Canyon – "קניון המוות") וגרניט (Granite Canyon).
ג'קסון הול.
ג'קסון הול הוא עמק גראבן באורך 89 קילומטרים וברוחב בין 10 ל-21 קילומטרים בגובה ממוצע של 2,100 מטרים מעל פני הים. הנקודה הנמוכה ביותר שוכנת סמוך לגבול הדרומי של הפארק בגובה 1,940 מטרים. העמק שוכן מזרחית לרכס טיטון והוא נע אנכית מטה 9,100 מטרים, ולכן העתק טיטון וההעתק התאום שלו בצד המזרחי של העמק הם העתקים נורמליים - הגוש של ג'קסון הול הוא הגוש התלוי (hanging wall) וגוש רכס טיטון הוא גוש הבסיס (footwall). הפארק הלאומי גרנד טיטון כולל את החלק העיקרי של שני הגושים. סחיפה של הרכס הובילה משקעים לעמק כך שהפרש הגבהים הוא רק 2,300 מטרים. עמק ג'קסון הול שטוח יחסית, כשיש גידול צנוע בגובה מדרום לצפון. עם זאת, מעט הרי כפתור מבודדים, כדוגמת בלקטייל (Blacktail Butte), וגבעות כולל הר סיגנל (Signal Mountain) מנקדים את קרקעית העמק. הנהר סנייק סחף את הטרסות תוך יצירת עמק ג'קסון הול. דרומית-מזרחית יש מספר רב של שקעים קרחוניים. השקעים הם צורות נוף שנוצרו כתוצאה מפעילות של קרחונים כאשר גושי קרח גדולים ניתקו מחזיתו של קרחון נסוג, ונקברו באופן חלקי או מלא על ידי סחופת שמקורה במימי הפשרת הקרחון הנסוג. סחופת זו יוצרת מישורי נהרי קרחון המכונים סנדוּר (sandur). כאשר גושי הקרח אלו נמסים בסופו של דבר, נותרים שקעים בפני הסנדור.
אגמים ונהרות.
מרבית האגמים בפארק נוצרו על ידי הקרחונים, והאגמים הגדולים ביותר ממוקמים בבסיס רכס טיטון. בחלק הצפוני של הפארק שוכן אגם ג'קסון, האגם הגדול ביותר בפארק שאורכו 24 קילומטרים, רוחבו 8 קילומטרים ועומקו המקסימלי 134 מטרים. אף שאגם ג'קסון הוא טבעי, סכר אגם ג'קסון נבנה במוצא ממנו לפני שהפארק נוצר וגובה פני המים באגם עלו בשל כך ב-12 מטרים. מזרחית לאכסניית אגם ג'קסון (Jackson Lake Lodge) שוכנים האגמים: אמה מטילדה (Emma Matilda Lake) וטו אושן (Two Ocean Lake). דרומית לאגם ג'קסון שוכנים האגמים: ליי (Leigh Lake), ג'ני (Jenny Lake), בריידלי (Bradley Lake), טאגרט (Taggart Lake) ופלפס (Phelps Lake) במוצא הקניונים המובילים לרכס טיטון. בתוך רכס טיטון נפוצים אגמים אלפיניים קטנים בקרקסים קרחוניים, ויש יותר מ-100 מפוזרים בתחומי האזור הגבוה. אגם סוליטיוד (Lake Solitude), בגובה 2,754 מטרים, שוכן בקרקס קרחוני בתחילת המזלג הצפוני של קניון קסקייד. אגמים נוספים השוכנים בגובה רב קיימים מעל לגובה של 3,000 מטרים, ובמעטים, כדוגמת אגם אייספלו (Icefloe Lake), האגם הגבוה ביותר ברכס, הקרח סותם את האגמים במרבית השנה. הפארק אינו מצטיין במפלי מים גדולים. עם זאת, למפלי הידן (Hidden Falls, "המפלים החבויים") השוכנים ממערב לאגם ג'ני הגישה קלה לאחר הליכה קצרה.
ממקורותיו באגף הדרום-מערבי של רמת טו אושנס (Two Oceans Plateau, מילולית רמת "שני האוקיינוסים") בפארק הלאומי ילוסטון הנהר סנייק זורם מצפון לדרום דרך הפארק, כשהוא נשפך לאגם ג'קסון סמוך לגבול שבין הפארק הלאומי גרנד טיטון ושמורת הטבע "הכביש הנופי על שם ג'ון ד. רוקפלר". הנהר סנייק זורם אז דרך המברצים של סכר אגם ג'קסון ומשם דרומה דרך עמק ג'קסון הול, כשהוא יוצא מתחומי הפארק סמוך מערבית לשדה התעופה ג'קסון הול. האגמים הגדולים ביותר בפארק מתנקזים ישירות או באמצעות יובלים לתוך הנהר סנייק. היובלים העיקריים הזורמים לנהר סנייק כוללים את פסיפיק קריק (Pacific Creek) ובאפלו פורק (Buffalo Fork) בסמוך לנקודת היישוב הקטנה מוראן ובנהר גרוס ונטר (Gros Ventre River) בגבול הדרומי של הפארק. דרך עמק ג'קסון הול השטוח יחסית הנהר סנייק יורד בשיפוע של 3.6 מטרים לכל קילומטר, בעוד שהשיפוע של הנחלים האחרים היורדים מההרים ממזרח וממערב הוא גדול יותר בשל המורדות התלולים. הנהר סנייק יוצר זרמי פְּזָרוֹת. וערוצים בקטעים שבהם השיפוע קטן במיוחד ובקטעים התלולים יותר סוחף וחותר תחת טרסות החלוקים שהושקעו בעבר על ידי הקרחונים. אורכו של הנהר הוא 1,699 קילומטרים, ומתוכם 80 קילומטרים בלבד זורמים דרך הפארק.
קרחונים.
הפסגות הראשיות ברכס טיטון גולפו לצורתם הנוכחית בעזרת קרחונים שנעלמו לפני זמן רב. בין לפני 250,000 שנים ועד לפני 150,000 שנים עבר רכס טיטון כמה עידני קרח כשאזורים מסוימים בעמק ג'קסון הול היו מכוסים בקרחון בעובי של 600 מטרים. ההתקרחנות הגדולה אינה קשורה להתרוממות הרכס עצמו והיא חלק מהתקררות עולמית הידועה כהתקרחנות הרביעון (Quaternary glaciation). החל בהתקרחנות באפלו (Buffalo Glaciation) שאחריה הייתה התקרחנות אגם בול (Bull Lake glaciation) ולבסוף התקרחנות פיינדייל (Pinedale glaciation), שהסתיימה בערך לפני 15,000 שנים. הנוף הושפע רבות מפעילות הקרחונים. במהלך התקרחנות פיינדייל, הנוף הנוכחי נוצר כשקרחונים זרמו מרמת ילוסטון דרומה ויצרו את אגם ג'קסון, בעוד שקרחונים קטנים יותר שזרמו מרכס טיטון דחפו מורנות סלעים מהקניונים והותירו מאחוריהם אגמים בבסיס ההרים. הפסגות עצמן נשחקו לצורת של פירמידה או צורת arête, רכס משונן ותלול משני צדדיו, והקניונים הפכו מעמקים בצורת V שנוצרו מסחיפה של המים לעמקים בצורת U שנוצרו מסחיפה קרחונית. קרוב לתריסר קרחונים קיימים עדיין בפארק, אבל הם אינם עתיקים כיוון שכולם נוצרו מחדש בזמן כלשהו בין 1400 ל-1850 במהלך עידן הקרח הקטן. מאלו הגדול ביותר הוא קרחון טיטון, השוכן מתחת לצד הדרום-מזרחי של פסגת גרנד טיטון. אורכו של קרחון טיטון הוא 1,100 מטרים ורוחבו 340 מטרים, והוא מוקף בפסגות גבוהות של הרכס. קרחון טיטון הוא גם הקרחון שנחקר בצורה הרבה ביותר ברכס, וב-2005 הגיעו החוקרים למסקנה שהוא יעלם לחלוטין בתוך 30 עד 75 שנים. מערבית לקבוצת קתדרלה בסמוך למעבר הוריקן יש קרחון קטנטן בשם קרחון סקולרום (Schoolroom Glacier) שיש לו מורנות צדיות ומורנת קצה מוגדרות היטב, אגם קרחוני קטן ותוואי נוף קרחוניים טיפוסיים אחרים שוכנים בסמוך.
אקלים.
באזור הפארק שורר אקלים ממוזג עד צחיח למחצה, כשהחודשים עם המשקעים הרבים ביותר הם בין נובמבר לינואר, בעיקר כשלג המכסה לרוב את האדמה בין נובמבר לסוף אפריל. גובה השלג היורד בשנה בממוצע הוא 1,100 סנטימטרים בהרים ו-490 סנטימטר בעמק. בחודש ינואר הטמפרטורה היומית נעה בממוצע בין 3°C- ביום ל-17°C- בלילה. בחודש יולי הטמפרטורה היומית נעה בממוצע בין 24°C ביום ל-5°C בלילה. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנמדדה הייתה 34°C, והנמוכה ביותר הייתה 54°C-. הטמפרטורה בקיץ בהרים מעל לעמק יורדת בכחצי מעלה צלזיוס כל 300 מטרים גובה, ולכן מעברי ההרים הגבוהים מכוסים בשלג עד אמצע יולי. סופות רעמים נפוצות בקיץ, בייחוד מעל ההרים. לעומת זאת לא דווח מעולם על טורנדו בתחומי הפארק. הסופה שכונתה "טורנדו טיטון-ילוסטון" (Teton-Yellowstone tornado) ביולי 1987 הייתה טורנדו בגובה רב שהגיעה רק עד הפינה הצפון-מזרחית של הפארק בגבול עם אזור הטבע הבראשיתי טיטון של היער הלאומי ברידג'ר-טיטון והפארק הלאומי ילוסטון.
גאולוגיה.