הקניון הוא תוצאה של סחיפה שחשפה את אחד הרצפים השלמים והנחקרים ביותר של סלעים על פני כדור הארץ. גילן של קרוב ל-40 שכבות סלעי המשקע שנחשפו בגרנד קניון ובשטח הפארק הלאומי גרנד קניון נע בין 230 מיליון שנים (אבן גיר קאיבאב) בפני השטח לקרוב ל-2 מיליארד שנים (צפחת וישנו) בקרקעית הקניון. מרביתן התגבשו במים רדודים וחמימים, בביצות, ובסמוך לחופי ים שמזמן כבר אינם קיימים, במערב אמריקה הצפונית. בין השכבות יש ייצוג בעיקר למשקעים ימיים, אבל גם למשקעים יבשתיים כדוגמת חלק מהשכבות בחבורת סופאי, או גם אבן חול קוקונינו מהפרם המייצגת דיונות מאובנות ממדבר נכחד. נתגלו לפחות 14 מקרים של אי התאמה בטור הסטרטיגרפי של שכבות סלעי המשקע באזור הגרנד קניון.
במקרה קיצוני אחד אי התאמה בין סלעי הגרניט שעברו התמרה לצפחה וגנייס מהפרקמבריון לבין סלעי אבן חול מן הקמבריון שמעליהם מייצגת את פער הזמן הגדול ביותר, המגיע במקום אחד (Blacktail Canyon) ל-1.2 מיליארד שנה. הגאולוג ג'ון וסלי פאוול כינה פער זמן זה בלוח הזמנים הגאולוגי, אותו ניתן לראות גם במקומות אחרים בעולם, אי ההתאמה הגדולה (Great Unconformity). ייתכן שהורבדו משקעים אחרים, אבל גם אם היו קיימים, הם הורחקו לחלוטין על ידי הסחיפה. אי ההתאמה הגדולה היא אחת הדוגמאות הטובות ביותר לאי התאמה סחיפתית, שבה מפריד מישור אי התאמה בין סלעי יסוד או סלעים מותמרים להרבדה חדשה.
הגורם לעומק הגדול של הגרנד קניון ובייחוד לגובה של שכבות הסלע (שמרביתם נוצרו מתחת לפני הים) הוא בהתרוממות בת ה-1,500 עד 3,000 מטרים של רמת קולורדו, שהחלה באורוגנזה הלרמידית לפני 65 מיליון שנים. התרוממות זו העמיקה את שיפוע נהר הקולורדו ויובליו. עקב כך הואצה מהירות המים הזורמים בהם ולכן גבר גם קצב הסחיפה.
תנאי מזג האוויר בעידן הקרח הגבירו את כמות המים הזורמים במערכת הניקוז של נהר הקולורדו. בשל כך העמיק הנהר הקדום את ערוצו מהר ועמוק יותר.
בסיס הסחיפה ומסלולו של נהר הקולורדו (או הנהר הקדום שממנו נוצר) השתנו לפני 5.3 מיליון שנים כאשר נפתח מפרץ קליפורניה, והוא הנמיך את בסיס הסחיפה. עובדה זו הגבירה את קצב הסחיפה והחציבה בסלע לכמעט עומקו הנוכחי של הגרנד קניון לפני 1.2 מיליון שנים. הקירות הבנויים כגרם מדרגות גדול נוצרו כתוצאה מהבדלים בעוצמת הסחיפה.
בין לפני 3 מיליון ל-100,000 שנים, השקיעה פעילות געשית אפר געשי ולבה על פני האזור כשמדי פעם חסמו את נהר הקולורדו סכרי לבה. סלעים געשיים אלו הם הסלעים הצעירים ביותר בקניון.
היסטוריה.
אינדיאנים.
אנשי הפואבלו הקדומים היו עם אינדיאני שמרכז תרבותו היה באזור ארבע הפינות בדרום-מערב ארצות הברית. הם היו הראשונים שידוע כי חיו באזור הגרנד קניון. בקרב הארכאולוגים נפוץ הכינוי אנסאזי לתיאור קבוצה תרבותית זו, אם כי אנשי הפואבלו של ימינו שוללים שימוש במונח זה. מקור המילה "אנסאזי" בשפת הנאוואחו ופירושה "הקדמונים" או "אויב קדום".
הארכאולוגים עדיין חלוקים בשאלה מתי קמה תרבות ייחודית זו. הקונצנזוס הנוכחי, המבוסס על הטרמינולוגיה שהוגדרה בסיווג פקוס (Pecos Classification) משערת שהתרבות התחילה סביב שנת 1200 לפני הספירה בתקופת יוצרי הסלים II (Basketmaker II Era). החל במשלחות המחקר הראשונות ובחפירות הראשונות באתרים האמינו החוקרים כי אנשי הפואבלו הקדומים היו אבותיהם הקדמוניים של אנשי הפואבלו המודרניים.
בנוסף לאנשי הפואבלו הקדומים יישבו מספר תרבות ייחודיות את אזור הגרנד קניון. הקוהונינה (Cohonina) חיו מערבית לגרנד קניון בין 500 ל-1200 לספירה. הקוהינינה היו אבותיהם הקדמונים של שבטי היומן, הוולאפאי, וההוואסופאי.
הסינאגווה (Sinagua) היו בני תרבות ששכנו באזור דרומית-מזרחית לגרנד קניון, בין הנהרות קולורדו הקטן וסולט, בין בערך 500 ל-1425 לספירה. הסינאגווה הם קרוב לוודאי אבותיהם הקדמונים של חלק מבני שבט ההופי.
כשהאירופים הראשונים הגיעו לאזור במאה ה-16 התפתחו באזור תרבויות חדשות. הוולאפאי יישבו רצועת אדמה באורך 160 קילומטרים לאורך החלק הדרומי המכוסה בעצי האורנים של הגרנד קניון. ההוואסופאי חיו באזור קניון קטרקט מתחילת המאה ה-13, כשהם שולטים בשטח שגודלו כ-5,000 קילומטרים רבועים (כגודלה של מדינת דלאוור). הנאוואחו או הדינה (Diné), כפי שהם מעדיפים להיקרא, חיו באזור נרחב המשתרע מפסגות סן פרנסיסקו (San Francisco Peaks), מזרחה לעבר ארבע הפינות. עדויות ארכאולוגיות ולשוניות מוכיחות שהנאוואחו הם צאצאים של שבטים אתבסקיים מאזור ימת העבדים הגדולה בקנדה, שהיגרו לאזור הגרנד קניון אחרי המאה ה-11 לספירה.
בואם והתיישבותם של האירופים.
חוקרי ארצות ספרדים.
בספטמבר 1540 הגיע הקונקיסטאדור פרנסיסקו וסקס דה קורונדו במשלחת גדולה ממלכות המשנה של ספרד החדשה (מקסיקו של ימינו), לאזור דרום-מערב ארצות הברית של ימינו במטרה לאתר ולכבוש את שבע ערי הזהב האגדתיות. בזמן שקורונדו שהה באזור צפון-מזרח אריזונה של ימינו הוא שלח את אחד ממפקדיו, גרסיה לופס דה קרדנס, בראש משלחת שכללה קבוצה קטנה של ספרדים ומורי דרך מבני ההופי לצפון-מערב לברר את הידיעות על נהר גדול שעובר שם. המשלחת הגיעה לגדה הדרומית של הגרנד קניון בין נקודות התצפית דזרט ויו (Desert View) ומוראן פוינט (Moran Point) של ימינו. פאבלו דה מלגרוסה (Pablo de Melgrossa), חואן גאלרס (Juan Galeras) וחייל שלישי ירדו בערך שליש מהמדרון לתוך הקניון עד שהם אולצו לשוב בשל מחסור במים. הם דיווחו כי חלק מהסלעים בקניון היו "גדולים יותר מהמגדל הגדול של סביליה, החירלדה". משערים שמורי הדרך מבני ההופי הכירו את השבילים המובילים לקרקעית הקניון, אבל אולי לא רצו להוביל את הספרדים לנהר. אירופים לא ביקרו בקניון מאז במשך למעלה ממאתיים שנים.
האבות פרנסיסקו אטנסיו דומינגס וסילבסטרה ולס דה אסקלנטה היו שני כמרים ספרדים, שיחד עם קבוצה של חיילים ספרדים, חקרו את דרום יוטה של ימינו בחיפוש אחר נתיב מסנטה פה לקליפורניה ב-1776. לאחר שהחליטו לנטוש את מטרתם המקורית ולחזור לסנטה פה הם רכבו לאורך הגדה הצפונית של הקניון והקניונים גלן ומרבל במטרה למצוא נקודת חצייה. בסופו של דבר הם חצו את הנהר במקום שנקרא לכבודם אחר-כך "חציית האבות" (Crossing of the Fathers), כיום שוכן מעבר זה מתחת למימי אגם פאוול.
באותה שנה (1776) שהה המיסיונר הפרנציסקני פרנסיסקו גרסס (Francisco Garces) כשבוע בקרב ההוואסופאי, כשהוא מנסה לשווא לנצר אותם. הוא תיאר את הקניון כ"עמוק מאוד" (profundo).
חוקרי ארצות אנגלו-אמריקנים.
ג'יימס אוהיו פאטי (James Ohio Pattie) עמד בראש חבורת ציידי פרוות ואנשי הרים, שהיו, ככל הנראה, האירופים הבאים שהגיעו לגרנד קניון ב-1826.
המיסיונר המורמוני ג'ייקוב המבלין נשלח על ידי נשיא הכנסייה המורמונית בריגהם יאנג בשנות ה-50 של המאה ה-19 לאתר בקניון אתרי חצייה אפשריים. להמבלין היו קשרים טובים עם האינדיאנים בני הוואלאפאי ועם המתיישבים הלבנים. הוא גילה את אתר "חציית האבות", ואת האתרים שעתידים להיקרא ליז פרי ו"פירס פרי" (Pearce Ferry – "מעבורת פירס" על שם הריסון פירס שהפעיל במקום מעבורת מ-1876), רק שני האחרונים התאימו להפעלת מעבורת. המבלין גם שימש יועץ לג'ון וסלי פאוול לפני מסעו השני בגרנד קניון, ופעל כדיפלומט בין פאוול ושבטי האינדיאנים המקומיים על מנת להבטיח את ביטחונה של המשלחת.
ב-1857 היה אדוארד פיצ'ג'רלד ביל (Edward Fitzgerald Beale) המפקח על משלחת שנועדה לסקור דרך לעגלות לאורך קו הרוחב 35 מפורט דפייאנס לנהר הקולורדו. הוא הוביל חבורה קטנה של אנשים בחיפוש אחר מים ברמת קוקונינו סמוך לגדה הדרומית של הקניון. ב-19 בספטמבר, סמוך לקניון הלאומי של ימינו הם הגיעו למה שמאי המפריז סטייסי (May Humphreys Stacey) תיאר ביומנו כ"קניון נהדר בעומק ארבעת אלפים רגל. כולם (בחבורה) הודו שמעולם לפני כן הם לא ראו משהו תואם או שווה לתופעת טבע מדהימה זו".
באותה שנה (1857) הורתה מחלקת המלחמה של ארצות הברית ללוטננט ג'וזף אייווס להוביל משלחת מחקר שתפקידה להעריך את הישימות של שיט במעלה הנהר ממפרץ קליפורניה. איווס תכנן, בנה ובדק ספינת קיטור בעצמו, ואז דאג לשנע אותה לדלתה של הקולורדו. באתר הנחיתה הקרוי Robinson's Landing הוא הרכיב מחדש את הספינה והשתמש בספינה בת 16 המטרים בשם "אקספלורר" (Explorer) למפות ולסקור את הנהר. במשלחת השתתף הגאולוג, ג'ון ניוברי (John Strong Newberry; 1892-1822) חבר מוסד הסמית'סוניאן. אייווס הוביל את המשלחת במשך חודשיים של שיט מסובך במעלה הקולורדו עד לקניון השחור של הקולורדו, שם נתקלה הספינה בסלע וננטשה. אייווס המשיך רגלית דרך הגרנד קניון ועלה לגדה הדרומית של הקניון דרך מערכת הניקוז של דיאמונד קריק (Diamond Creek) והמשיך מזרחה לפורט דפייאנס (Fort Defiance) באריזונה. אייווס דיווח על ממצאיו בספרו מ-1861 "דו"ח על נהר הקולורדו שבמערב" ("Report upon the Colorado river of the West"). משלחת אייווס הפיקה את אוסף המפות המוקדמות החשובות של הגרנד קניון שאוירו בידי פרדריק פון אגלופשטיין (Frederick Wilhelm von Egloffstein; 1885-1824), הטופוגרף של המשלחת.