בשעות אחרי הצהריים של 10 ביולי 1913 מדדה לשכת מזג האוויר של ארצות הברית טמפרטורה מקסימלית של 56.7°C בחוות גרינלנד (Greenland Ranch, כיום פרנס קריק) בעמק המוות. טמפרטורה זו היא טמפרטורת האוויר החמה ביותר שנמדדה מעולם על פני כדור הארץ (טמפרטורה של 58°C, שנמדדה בלוב ב-1922 נקבעה ב-2012 כבלתי מדויקת). ב-16 באוגוסט 2020 נמדדה בעמק טמפרטורה של 54.4°C, ובהתחשב בכך שהמדידה מ-1913 מוטלת בספק, נחשבת מדידה זו לטמפרטורה החמה ביותר שנמדדה בכדור הארץ. בקיץ טמפרטורה יומית של 49°C או אף יותר היא אירוע נפוץ, כמו גם טמפרטורות מתחת לנקודת הקפאון בלילה בחורף. יולי הוא החודש החם ביותר, שבו הטמפרטורה המקסימלית הממוצעת היא 49°C והמינימלית הממוצעת היא 46°C. דצמבר הוא החודש הקר ביותר, שבו הטמפרטורה המקסימלית הממוצעת היא 18°C והמינימלית הממוצעת היא 4°C. הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנמדדה הייתה 9.4°C-.
תופעת מדבר צל גשם הקיצונית באזור עמק המוות גורמת לו להיות הנקודה הצחיחה ביותר באמריקה הצפונית, כאשר הממוצע השנתי של משקעים הוא 38 מילימטרים באגם בדווטר (היו שנים שבהן לא ירד גשם כלל). כמות המשקעים השנתית הממוצעת נעה בין 49 מילימטרים באזור שמתחת לפני הים ועד 380 מילימטרים בהרים הגבוהים המקיפים את העמק. כאשר הגשם מגיע הוא יורד לעיתים קרובות בסופות עזות הגורמות לשיטפונות בזק המעצבים מחדש את הנוף ולעיתים יוצרים אגמים רדודים מאוד קצרי ימים.
קיימים מקרים יוצאי דופן נדירים לאופי הצחיח של האזור. ב-2005 חורף גשום באופן יוצא דופן יצר "אגם" באגן בדווטר והוביל לעונת פריחה פרחי הבר הגדולה ביותר בהיסטוריה של הפארק. באוקטובר 2015 התרחש "אירוע של שיטפון בזק המתרחש פעם ב-1000 שנים" כשירדו מעל ל-80 מילימטרים של גשם במשך כמה שעות וגרמו לנזקים גדולים בפארק הלאומי עמק המוות.
גאולוגיה.
ההיסטוריה הגאולוגית של הפארק מגוונת ומורכבת. מאז שנוצר עבר האזור המכיל את הפארק לפחות ארבע תקופות עיקריות של געשיות נרחבת, שלוש או ארבע תקופות של השקעה נרחבת, וכמה תקופות של עיוותים טקטוניים שבהם עבר קרום כדור הארץ עיצוב מחדש. שתי תקופות של התקרחנות (סדרה של עידני קרח) שגם להן הייתה השפעה על האזור, אם כי מעולם לא היו קרחונים על הרכסים בשטח הפארק של ימינו.
סלעי התשתית וחבורת פארמפ.
מעט מאוד ידוע על הסלעים העתיקים ביותר שנחשפו באזור עקב התמרה (שינוי של הסלע בעקבות חום ולחץ) נרחבת. באמצעות תיארוך רדיומטרי נקבע כי ההמרה התרחשה לפני 1,700 מיליון שנים במהלך עידן הפרוטרוזואיקון. לפני כ-1,400 מיליון שנים חדר גוש גרניט גדול, כיום ברכס פנאמינט, לתוך מתחם זה. התרוממות שהתרחשה מאחר יותר חשפה סלעים אלו לקרוב ל-500 מיליון שנים של סחיפה.
התצורות של סלעי המשקע מעידן הפרוטרוזואיקון של חבורת פארמפ (Pahrump Group) הושקעו על גבי סלעי תשתית אלו. תהליך זה התרחש בעקבות ההתרוממות והסחיפה של משקעים מוקדמים כלשהם מסלעי התשתית של הפרוטרוזואיקון. חבורת פארמפ בנויה מקונגלומרט של ארקוזה (קלאסטים של קוורץ במסת אם דמוית בטון) ואבן בוץ בחלק התחתון, שמעליה דולומיט מסלעים קרבונטיים שעליהם מרבדי אצות כסטרומטוליטים, ובחלק העליון משקעים שמילאו את האגן מסחיפה של ההרים מעל, כולל טיל קרחוני מהתקרחנות של השערת כדור השלג ארץ. הסלעים הצעירים ביותר בחבורת פארמפ הם קילוחי לבה בזלתית.
ביקוע והשקעה.
בקע נפער ובהמשך הציף את האזור כחלק מההתפרקות של יבשת-העל רודיניה בנאופרוטרוזואיקון (לפני כ-755 מיליוני שנים) ויצירת האוקיינוס השקט. קו חוף דומה לשולי האוקיינוס האטלנטי בארצות הברית של ימינו שוכן ממזרח. מרבד אצות שכיסה את המשטח הקרבונטי, תוך יצירת דולומיט נונדיי (Noonday Dolomite). שקיעה של האזור התרחשה כאשר הקרום היבשתי הלך ונעשה דק יותר והאוקיינוס השקט שזה עתה נוצר התרחב תוך יצירת תצורת אייבקס. אחר -כך נוצרה אי התאמה זוויתית (פער בתיעוד הגאולוגי).
אגן אוקיינוס אמיתי התפתח במערב כשהוא שובר את התצורות הקדומות יותר לאורך חזית תלולה. טריז של משקעים קלאסטיים החל להצטבר בבסיס של שני צוקים תת-ימיים, החל ביצירה של מדף יבשתי נגדי. שלוש תצורות התפתחו מתוך המשקעים שהצטברו על הטריז. המאובנים הראשונים של בעלי חיים מורכבים נמצאו בתצורות שנוצרו עקב כך. בולטים בהם הם הפאונה של האדיאקרה וטרילוביטים. ההתפתחות של המין השני התרחשה כחלק מהמפץ הקמבריוני.
מישורי הבוץ החוליים פינו את מקומם לפני כ-500 מיליון שנים למשטח קרבונטי (דומה לזה המקיף את איי בהאמה של ימינו), שהתמידו במשך 300 מיליון השנים אחר-כך, תקופת עידן הפלאוזואיקון. מיקומו של עמק המוות היה אז בתחומי עשר או עשרים מעלות מקו המשווה של הפלאוזואיקון. בין השכבות העבות של משקעים עשירים בקרבונטים נוצרו שכבות אבן חול כאשר קרקעית הים התרוממה מדי פעם מעל לקו המים. אף שפרטים של הגאוגרפיה השתנו במהלך תקופת זמן ארוכה זו, כיוונו של קו החוף היה צפון צפון-מזרח והשתרע מאריזונה עד יוטה. שמונה התצורות והחבורה שנוצרו בתקופה זו הן בעובי 6 קילומטרים והן שוכנות מתחת למרבית הרכסים קוטונווד (Cottonwood), פיונרל, גרייפוויין (Grapevine) ופנאמינט.
דחיסה והתרוממות.
מתחילת ועד אמצע המזוזואיקון נדחף הקצה המערבי של יבשת אמריקה הצפונית כגד הלוח הפסיפי שמתחת לאוקיינוס השקט, תוך יצירת אזור הפחתה. אזור הפחתה הוא סוג של אזור מגע בין לוחות שונים של קרום כדור הארץ, שבו הלוח הימי הכבד יותר נוחת מתחת לקרום היבשתי הקל יותר. עקב כך החלו הרי געש להתפרץ, הרים החלו להתרומם וקו החוף נדחף מערבה. בצפון-מערב החלה להיווצר הקשת הסייראנית (Sierran Arc) מהחום והלחץ שנוצרו מההפחתה, וכוחות דחיסה גרמו להיווצרות העתקי דחיקה.
במקביל לאירועים אלו ואחריהם הייתה תקופה ארוכה של התרוממות וסחיפה, שגרמה לאי התאמה גדולה, פער זמן משמעותי בין יחידות מסלע. משקעים באזור עמק המוות שהם תוצאת סחיפה נישאו הן מזרחה והן מערבה באמצעות הרוח והמים. עקב אי ההתאמה אין תצורות של סלעי משקע מהיורה עד האאוקן, ייתכן שלמעט כמה סלעים געשיים מהיורה.
סחיפה במשך מיליוני שנים רבות יצרה מישור חסר צורה באופן יחסי. לפני 35 מיליוני שנים זרמו פלגים איטיים על פני השטח. כמה תצורות דומות אחרות הושקעו אז.
התמחות ואגמים.
התמחות נרחבת של חלקים גדולים של קרום כדור הארץ מתחת לדרום-מערב ארצות הברית וצפון-מערב מקסיקו שמקורה בתופעת אגן ורכס החלה לפני כ-16 מיליון שנים והאזור עדיין מתרחב. ההתמתחות החלה להשפיע על עמק המוות ועמק פנאמינט לפני 3 מיליון שנים. קודם לכן היו הסלע שכיום הם ברכס פנאמינט על גבי הסלעים במה שעתיד להיות ההרים השחורים והרי קוטונווד. ההסעה האופקית והאנכית של גושים אלו הושגה באמצעות תנועה על העתקים נורמליים. העתקי הסטה אופקי ימני לאורך העתקי הסטה שכיוונם במקביל לבסיס הרכסים עזרו גם הם לפיתוח האזור. כוחות פיתול, הקשורים כנראה לתנועה הצפון-מערבית של הלוח הפסיפי לאורך העתק סן אנדראס (מערבית לאזור), אחראי כנראה לתנועה האופקית.
פעילות געשית הקשורה להתמתחות זו החלה החל מלפני 12 מיליון שנים ל-4 מיליון שנים. השקעה מתרכזת בעמקים (אגנים) מחומרים שנסחפים מרכסים סמוכים. קצב הכמות של החומרים ששקעו הייתה שווה פחות או יותר לקצב השקיעה של העמקים, מה שגרם במשך השנים לשמירת גובה קרקעית העמק.
עידני הקרח מהפליסטוקן החלו לפני 2 מיליון שנים, ומים מקרחונים מרכס הרי הסיירה נבדה הסמוך שהפשירו הזינו סדרה של אגמים שמילאו את עמק המוות ועמק פנאמינט והאגנים מסביבם. האגם שמילא את עמק המוות היה אחרון בסדרה של אגמים שהוזנו על ידי הנהר אמרגוסה (Amargosa River) והנהר מוהאבי, וייתכן שגם על ידי הנהר אוונס. האגם הגדול ביותר שכיסה את רוב הקרקעית של עמק המוות, שהגאולוגים מכנים אגם מנלי החל להתייבש לפני 10,500 שנים. מישורי מלח ואגמים יבשים (באנגלית playas) נוצרו כאשר הקרחונים מעידן הקרח נסוגו, ובכך צמצמו באופן דרסטי את מקורות המים של האגמים. נותרו רק סימנים קלושים לקווי החוף הקדומים.
אקולוגיה.
שלא כבמקומות טיפוסיים יותר לרוחב מדבר מוהאבי, בבתי גידול רבים בעמק המוות, התלויים במים, יש מגוון של מיני צמחים ובעלי חיים שאינם נמצאים בשום מקום אחר בעולם. קיומם של מינים אלו הוא בעיקר תולדה של ההיסטוריה הגאולוגית הייחודית ותהליך האבולוציה שהלך והתפתח בבתי הגידול שהיו מנותקים זה מזה בתקופת הפליסטוקן
צמחייה.
עמק המוות הוא אחד המקומות החמים והצחיחים ביותר באמריקה הצפונית, ועם זאת הוא משכן למעל ל-1,000 מינים של צמחים, כש-23 מתוכם, כולל הצמח הנדיר "Holmgrenanthe petrophila" (באנגלית rock lady), אינם מצויים בשום מקום אחר בעולם.
בתי הגידול בפארק משתנים ממישורי המלח בגובה 86- מטרים מתחת לפני הים ועד תנאים תת-אלפיניים על פסגת טלסקופ, המתנשאת לגובה 3,368 מטרים מעל פני הים. מישורי המלח נטולי צמחייה, וביתרת קרקעית העמק ובחלק הנמוך של המדרונות יש צמחייה מועטה, אף שבדרך כלל במקומות שבהם יש מים יש שפע צמחייה. שאר הצמחייה בפארק משתנה בהתאם לבתי הגידול, החל מצמחים כדוגמת לראה משולשת, "Atriplex hymenelytra" (באנגלית Desert holly) וינבוט בלוטי ("Prosopis glandulosa") באזורים הצחיחים, דרך צמחים כדוגמת "Atriplex confertifolia" (באנגלית shadscale), "Coleogyne ramosissima" (באנגלית blackbrush), עץ יהושע, ואורן פיניון-ערער במורדות ההרים, וכלה ביערות אורן גמיש ("Pinus flexilis") ואורן האצטרובל הזיפני במקומות הגבוהים.