על פי סדרת מאמרים ב"סן פרנסיסקו הרלד" מ-1853 סיירו קפטן ג'וזף ר. ווקר (Joseph R. Walker), אחיינו ג'יימס ט. ווקר ושישה אנשים נוספים במעלה הקולורדו בינואר 1851 עד הנקודה בה נשפך לנהר היובל וירג'ין, ואז המשיכו מזרחה לתוך אריזונה, לאורך הגרנד קניון וביצעו מדי פעם מסעות מחקר צדדיים. דווח שווקר אמר שהוא רצה לבקר את האינדיאנים בני המוקי (Moqui), כפי שההופי היו קרויים אז בפי הלבנים. הוא פגש ילידים אלו בקצרה בשנים קודמות, חשב שהם מעניינים בצורה יוצאת דופן ורצה להכירם טוב יותר. הכתב של ה"הרלד" ציין אז: "אנו מאמינים שקפטן ג'ו ווקר הוא האדם הלבן היחיד בארץ זו שביקר אי-פעם אנשים מוזרים אלו".
ב-1857 היה ג'ון סטרונג ניוברי (John Strong Newberry) ככל הנראה הגאולוג הראשון שביקר בגרנד קניון.
ב-1869 הוביל מייג'ור ג'ון וסלי פאוול את משלחת המחקר הראשונה במורד הקניון. מטרתו של פאוול הייתה לחקור את נהר הקולורדו ואת הגרנד קניון. במשלחתו השתתפו תשעה אנשים נוספים, ארבע סירות והוכן מזון לשהות של 10 חודשים. הוא יצא מהיישוב הקטן גרין ריוור בוויומינג ב-24 במאי. כשהם עוברים דרך סדרה של אשדות מסוכנים (או עוקפים אותם באמצעות נשיאת הסירות ביבשה) צלחה החבורה את הנהר גרין עד למפגשו עם הנהר קולורדו, סמוך לעיירה מואב של ימינו, והשלימה את המסע דרך הגרנד קניון תוך התגברות על קשיים רבים ב-13 באוגוסט 1869. ב-1871 טבע פאול את המונח "גרנד קניון" (קניון ענק), קודם לכן הוא היה קרוי "קניון גדול" (Big Canyon).
ב-1889 תכנן פרנק מ. בראון (Frank M. Brown) לבנות מסילת רכבת לאורך נהר הקולורדו על מנת לשנע פחם. הוא, המהנדס הראשי שלו, רוברט ברוסטר סטנטון (Robert Brewster Stanton) ו-14 איש נוספים החלו לחקור את הגרנד קניון בסירות מאיכות גרועה הבנוית מעץ ארז, בלי שלקחו איתם אמצעי הצלה. בראון טבע בתאונה בסמוך לקניון מרבל. סטנטון בנה סירות חדשות והמשיך לחקור את הקולורדו כל הדרך למפרץ קליפורניה.
בשלהי המחצית השנייה של החלו גם ניצנים ראשונים של התיישבות בגרנד קניון: מתבודדים, כורים, מפעילי מעבורות (דוגמת ג'ון דויל לי) ומפעילי תיירות (דוגמת רלף הנרי קמרון - Ralph Henry Cameron).
הגנה של הממשל הפדרלי.
נשיא ארצות הברית תאודור רוזוולט ביקר בגרנד קניון ב-1903. רוזוולט, חובב נלהב של מסעות בחיק הטבע ותומך שימור מסור, הקים את שמורת הציד גרנד קניון (Grand Canyon Game Preserve) ב-28 בנובמבר 1906. במסגרת זו הוגבל המרעה בשמורה לחיות משק, וחיות טרף דוגמת פומת ההרים, עיט וזאב מצוי שחיו בשמורה הוכחדו. רוזוולט יחד עם חברים בארגון השימור שלו מועדן בון וקרוקט (Boone and Crockett Club) סייעו להקים את אגודת שימור הפארקים הלאומית (National Parks Conservation Association), שפעלה למען חקיקת חוק העתיקות של 1906 שהעניק לנשיא את הסמכות להקים מונומנטים לאומיים. מיד כשהחוק עבר צירף רוזוולט את אדמות היער הלאומי הסמוך וב-11 בינואר 1908 שינה את המעמד של השטח משמורה למונומנט לאומי. מתנגדים כדוגמת בעלי אדמות ובעלי זיכיונות לכרייה הצליחו לבלום מאמצים להגדיר מחדש את המונומנט כפארק לאומי במשך 11 שנים. הפארק הלאומי גרנד קניון נקבע לבסוף כפארק הלאומי מספר 17 בחוק של הקונגרס שנחתם על ידי הנשיא וודרו וילסון ב-26 בפברואר 1919.
בפני המנהלנים של הממשל הפדרלי המנהלים את משאבי הפארק ניצבים אתגרים רבים. אלו כוללים נושאים הקשורים להשבה לטבע של קונדור קליפורני המצוי בסכנת הכחדה, רעשים מסיורים אוויריים מעל לקניון, מחלוקות על זכויות מים עם השבטים בשמורות הגובלות בפארק, וניהול שרפות יער. ב-5 במרץ 2008 יזמו פקידי ממשל שיטפון בגרנד קניון במטרה להשיב את המערכת האקולוגית שלו. המערכת האקולוגית של הגרנד קניון השתנתה כתוצאה מבניית סכר קניון גלן ב-1963.
בין 2003 ל-2011 הוצגו 2,215 בקשות לזיכיונות כרייה בסמוך לקניון, כולל למכרות אורניום. הכרייה הושעתה מאז 2009, כאשר קן סלאזר, מזכיר הפנים של ארצות הברית החריג כ-4,000 קילומטרים רבועים מתהליך הרישוי, כפוף לבחינה של ההשפעה של הכרייה על הסביבה. המתנגדים למכרות חששו שברגע שהאורניום יכרה, הוא יחלחל למי הקולורדו ויזהם את המים בהם תלויים כ-18 מיליון איש בהמשך הנהר. התקנה של סלאזר, המכונה "ההשעיה של צפון אריזונה" (Northern Arizona Withdrawal), היא מורטוריום בן 20 שנים על הקמת מכרות חדשים, אבל היא מרשה למכרות קיימים להמשיך לפעול. ב-2012 עצרה הממשלה הפדרלית מכרות חדשים באזור, מהלך שאושר בבית המשפט המחוזי של אריזונה ב-2014. אם כי אגודת חברות הכרייה הלאומית, שנתמכה על ידי ממשלת אריזונה כמו גם על ידי ממשלות יוטה, מונטנה ונבדה הגישה ערעור שנכון לסוף 2016 טרם הוכרע.
אקלים.
האקלים בגרנד קניון משתנה בהתאם לגובה. גדות הקניון המיוערים שוכנות בגובה שבו יורד שלג בחורף, אבל לאורך נהר הקולורדו בערוץ הפנימי, הטמפרטורות דומות לאלו של טוסון ומקומות מדבריים אחרים באריזונה. התנאים באזור הגרנד קניון הם בדרך כלל יבשים, אבל כמות משקעים משמעותית יורדת באזור פעמיים בשנה: במהלך שינויי דפוס עונתיים בחורף, כאשר הסופות מהאוקיינוס השקט מביאות בכנפיהן ממערב גשמים בכמות בינונית ושלג למקומות הגבוהים, ובשלהי הקיץ, בשל המונסון של אמריקה הצפונית המביא לחות מדרום-מזרח, כשהוא גורם לסופות רעמים מקומיות המונעות מחום היום.
כמות משקעים שנתית ממוצעת בגדה הדרומית היא פחות מ-410 מילימטרים, ו-150 סנטימטרים שלג. הגדה הצפונית הגבוהה יותר מקבלת 690 מילימטרים גשם בממוצע לשנה ו-370 סנטימטרים שלג. בפנטום רנץ' (Phantom Ranch – "חוות הרפאים"), עמוק מתחת לגדת הקניון בסמוך לנהר קולורדו בגובה 762 מטרים מעל פני הים, ממוצע המשקעים לשנה הוא רק 200 מילימטרים והשלג נדיר.
הטמפרטורות משתנות באופן קיצוני במהלך השנה, כאשר הטמפרטורות המרביות בקיץ בנקיק הפנימי גבוהות בדרך כלל מ-39°C והטמפרטורות בחורף יורדת מתחת לאפס פרנהייט (17.8°C-) לאורך גדות הקניון. המבקרים מופתעים לעיתים קרובות מתנאים קיצוניים אלו, והם, יחד עם הגובה הרם של גדות הקניון, יכולים להוביל לתופעות לוואי בלתי נעימות כדוגמת התייבשות, כוויות שמש והיפותרמיה.
תנאי האקלים יכולים להשפיע מאוד על הטיולים והסיורים בקניון, ועל המבקרים מוטלת החובה לברר תחזית מדויקת בשל הסכנות הטמונות בחשיפה לטמפרטורות קיצוניות, סופות חורף ומונסונים בקיץ. אף ששירות הפארקים מציג מידע על תנאי מזג האוויר החזויים בשערי הכניסה ובמרכזי המבקרים, זהו קירוב גס בלבד, ואין להסתמך עליו בתכנון הטיול. לתחזית מדויקת של מזג האוויר בקניון צריכים המטיילים להתייעץ בדיווחי הרדיו של שירות מזג האוויר הלאומי או של מנהל האוקיינוסים והאטמוספירה הלאומי או באתר האינטרנט הרשמי של שירות מזג האוויר הלאומי.
לשירות מזג האוויר הלאומי יש תחנת מדידה בגדה הדרומית מאז 1903. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנמדדה בגדה הדרומית הייתה 41°C ב-26 ביוני 1974, והטמפרטורה הנמוכה ביותר הייתה 29°C- ב-1 בינואר 1919, 1 בפברואר 1985 ו-23 בדצמבר 1990.
איכות האוויר.
האוויר באזור הגרנד קניון הוא אחד מהצלולים ביותר בארצות הברית.
עם זאת, לעיתים יכולה איכות האוויר להיות מושפעת מאוד מאירועים כמו שרפת יער או סופות חול בדרום-מערב ארצות הברית.
הגורמים המשפיעים על איכות האוויר והראות בקניון הם בעיקר סולפטים, אבק וחומרים אורגניים. מרבית הסולפטים באוויר מקורם בזיהום אוויר מהמרכזים העירוניים בדרום קליפורניה הנישא ברוחות המערביות המנשבות באזור במשך מרבית השנה, ופליטות גזים מכורי היתוך הנחושת באריזונה, הנישאים ברוחות הדרומיות או הדרום-מזרחיות במהלך עונת המונסון של אמריקה הצפונית. האבק מקורו ברוחות או מאבק הדרכים. חומרים אורגניים מקורם בפליטות מכלי רכב, ניטרטים הנישאים ברוח ממרכזים עירוניים, שריפות יער ותרכובות אורגניות נדיפות הנפלטות מהצמחייה ביערות הסמוכים.
מספר פעולות ננקטו לשמר ולשפר את איכות האוויר והראות בקניון. בנספחים לחוק האוויר הנקי מ-1990 הוקמה "ועדת התעבורה לראות בגרנד קניון" (Grand Canyon Visibility Transport Commission בראשי תיבות GCVTC) שנועדה לייעץ לסוכנות להגנת הסביבה של ארצות הברית בדבר אסטרטגיות להגן על איכות האוויר ברמת קולורדו. ה-GCVTC פרסמה את דו"ח הסופי שלה ב-1996 ויזמה את הקמת "שותפות האוויר האזורי המערבי" (Western Regional Air Partnership בראשי תיבות WRAP), שותפות בין סוכנויות פדרליות, סוכנויות של המדינה, ונציגות של שבטי האינדיאנים שנועדה לתאם את יישום המלצות הוועדה.
תקנת ראות האוויר הנקי (Clean Air Visibility Rule), תוספת מ-1999 לחוק האוויר הנקי מחייבת השבת ראות לפארקים הלאומיים ולאזורי הטבע הבראשיתי (אזורים מדרגה ראשונה Class 1 areas בהגדרתם בחוק האמריקני) כדוגמת הגרנד קניון, לרמות הטבעיות עד 2064. תיקונים לתקנה שנוספו אחר-כך מפרטים את הדרישות הספציפיות על מנת להגיע למטרה בשלבים.
בתחילת שנות ה-90 של המאה ה-20 הראו מחקרים שפליטות של גופרית דו-חמצנית (SO2), גז המעורב ביצירת סולפטים, מתחנת הכוח נאוואחו (Navajo Generating Station) הפועלת על פחם משפיעות על הראות בקניון בייחוד בחורף, ושבקרה על הפליטה תשפר את הראות בחורף בין 2% ל-7%.