בין חבורת סופאי (Supai Group) לתצורת רדוול שהושקעה לפניה מפרידה אי התאמה של 15 עד 20 מיליון שנים. חבורת סופאי הושקעה בשלהי קרבון מיסיסיפי במהלך כל הקרבון הפנסילבני ועד תחילת תור הפרם. בין לפני 320 מיליון שנים ללפני 270 מיליון שנים. הן משקעים ימיים והן משקעים יבשתיים של בוץ, טין, חול ומשקעים גירניים הורבדו על מישור חופי נרחב הדומה לחוף המפרץ בטקסס של ימינו. בערך בתקופה זו החלו להתרומם הרי הרוקי בקולורדו ובניו מקסיקו ונחלים הביאו משקעים שנסחפו מהם לאזור הגרנד קניון.
בחלקו המערבי של הקניון כוללות תצורות חבורת סופאי אבן גיר, המציינת שקיעה בים חמים ורדוד, בעוד שחלקו המערבי היה, קרוב לוודאי, דלתה בוצית של נהר קדום. תצורה זו כוללת אבני טין אדומות ופצלים, והיא מסתיימת בשכבות בגוון שחום של אבני חול שביחד מגיעות לעובי בין 180 ל-210 מטרים. פצלים מתחילת תור הפרם בחבורה זו התחמצנו וצבעם אדום זוהר. בחלקו המזרחי של הפארק מצויים בחבורה זו מאובנים של עקבות של דו-חיים, זוחלים וחלקי צמחים רבים, ובחלקו המערבי מצויים כמויות גדולות של מאובנים ימיים.
התצורות של חבורת סופאי, מהעתיקה ביותר עד הצעירה ביותר, הן:
אי התאמה מציינת את גג חבורת סופאי.
השקעה במזוזואיקון.
בתחילת המזוזואיקון החל האזור להתרומם ונחלים החלו לחרוץ את האדמה החדשה שעלתה מעל פני הים. נחלים שזרמו בעמקים הנמוכים הנרחבים בתור הטריאס השקיעו סחף מהרמות הסמוכות, תוך יצירת תצורת מואנקופי (Moenkopi Formation) שעובייה הגיע ל-300 מטרים. התצורה עשויה משכבות אבן חול ושכבות פצלים עם שכבות גבס ביניהן. מחשופים של תצורת מואנקופי מצויים לאורך נהר הקולורדו ב"קניון מרבל" (Marble Canyon - "קניון השיש"), על הר סידר (Cedar Mountain - "הר הארז"; הר שולחן, בסמוך לגבול הדרום מזרחי של הפארק), וב"רד ביוט" (Red Butte - "הר כפתור אדום"; שוכן דרומית לכפר גרנד קניון). שרידים של קונגלומרט שינארמפ (Shinarump Conglomerate), הפרט התחתון (במרבית המקומות) של תצורת צ'ינלה (Chinle Formation), מצויים מעל לתצורת מואנקופי בסמוך לפסגת רד ביוט, אבל מתחת לקילוח לבה הצעיר הרבה יותר.
תצורות שעוביין הכללי הגיע בין 1,200 ל-1,500 מטרים הורבדו באזור במזוזואיקון ובקנוזואיקון, אבל הן נמחקו כמעט לחלוטין מהטור הסטרטיגרפי של הגרנד קניון על ידי סחיפה שהתרחשה אחרי בנייתן. ניתן לראות חלק מתצורות אלו בפארק הלאומי ציון ובפארק הלאומי ברייס קניון. יחד יוצרות יחידות סלע אלו את רצף הסלעים המכונה גרם המדרגות הגדול (Grand Staircase).
יצירת הקניון.
התרוממות והתמתחות סמוכה.
האורוגנזה הלרמידית השפיעה על מערב אמריקה הצפונית בכך שסייעה לבניית הקורדילרה האמריקנית. התרוממות קאיבאב, קמר מונומנט, הרי יואינטה, קמר סן רפאל והרי הרוקי התרוממו, לפחות חלקם, באורוגנזה הלרמידית. אירוע יוצר הרים זה החל בסמוך לסיום המזוזואיקון, לפני כ-75 מיליון שנים, ונמשך לתוך האאוקן - תקופה בתור השלישון. האורוגנזה נגרמה בשל הפחתה מול החוף המערבי של אמריקה הצפונית. העתקים ראשיים שכיוונם צפון-דרום וחוצים את הקניון הופעלו מחדש בשל התרוממות זו. רבים מהעתקים אלו הם מעידן העל של הפרקמבריון והם פעילים גם כיום. נחלים שניקזו את הרי הרוקי בתחילת תקופת המיוקן הסתיימו באגנים חסרי מוצא לים ביוטה, אריזונה ונבדה, אבל אין כל הוכחה לקיומו של נהר גדול.
לפני כ-18 מיליון שנים החלו כוחות מתיחה לגרום להידקקות ולהנמכה של האזור שממערב לקניון תוך יצירת פרובינציית אגן ורכס. אגנים (גראבנים) שקעו, ורכסי הרים (הורסטים) התרוממו בין העתקים הישנים והחדשים שכיוונם צפון-דרום. עם זאת, מסיבות שטרם נמצא להן הסבר מספק, נשארו שכבות הסלע של רמת קולורדו בדרך כלל במצב מאוזן במהלך שני האירועים שתוארו לעיל אף על פי שהם התרוממו לגובה שמעל ל-3.5 קילומטרים בשתי פעימות. חריגה מעובדה זו הייתה להשפעה הקלה שגרמו ההתרוממויות, הקמרים והרכסים שנוצרו בשלבים המוקדמים של האורוגנזה הלרמידית. לדוגמה, תצורות שנחשפו בגדה הדרומית של הקניון נמוכות בכ-240 מטרים מאותן תצורות בגדה הצפונית, וזאת משום שהגדה הצפונית קרובה יותר לחלק הגבוה של התרוממות קאיבאב. חלקו המערבי ביותר של הקניון מסתיים באחד ההעתקים של פרובינציית אגן ורכס, ה"גרנד וואש" (Grand Wash), שגם מסמן את הגבול שבין שני האזורים הגאולוגיים.
ההתרוממות בשל האורוגנזה הלרמידית ויצירת פרובינציית אגן ורכס הגדילה את השיפוע של הנחלים הזורמים מערבה מרמת קולורדו. נחלים אלו חתרו כלפי מזרח ערוצים עמוקים בשולי רמת קולורדו והשקיעו את הסחף בתוך אזור המתרחב של האגן והרכס.
הולדת נהר הקולורדו וחציבת הקניון.
לפני 10 עד 6 מיליון שנים החלה היווצרותו של מפרץ קליפורניה, השוכן דרומית לקניון והמרוחק ממנו, בתהליך של ביקוע. בערך אותו זמן החלו השוליים של רמת קולורדו לשקוע מעט. שני התהליכים שינו ככל הנראה את כיוונם של נחלים רבים כלפי האזור השוקע והשיפוע הגדול יותר גרם להם להתחתר לעומק מהר יותר. לפני בין 5.5 ל-5 מיליון שנים גרמה סחיפה לאחור לצפון ולמזרח לאיחוד נחלים אלו לנהר עיקרי אחד הניזון מיובלי משנה. נהר זה, האב הקדמון של נהר הקולורדו, החל למלא את הזרוע הצפונית של המפרץ, שבמקור הגיעה כמעט עד סכר הובר, באמצעות השקעת הסחף.
במקביל, פלגים זרמו מהרמות במרכז אריזונה צפונה ולרוחב מה שכיום הוא מערב הגרנד קניון, וככל הנראה הזינו נהר גדול יותר. המנגנון שבו לכד נהר הקולורדו התחתון הקדום אגן ניקוז זה ואת הניקוז של מרבית יתרת רמת קולורדו אינו ידוע. הסברים אפשריים הם סחיפה לאחור או שנפרץ סכר טבעי על אגם או נהר. נראה שהקולורדו התחתון לכד בסופו של דבר את נהר הקולורדו העליון שמימיו התנקזו לאגן פנימי, במקום כלשהו מערבית להתרוממות קאיבאב. אגן הניקוז הגדול הרבה יותר, והשיפוע התלול יותר סייעו להאיץ את ההתחתרות לעומק.
בתקופות של עידני הקרח במהלך הפליסטוקן, החל מלפני שלושה ועד לפני שני מיליון שנים, היה האקלים באזור קר ולח יותר. המשקעים המוגברים האיצו את עוצמת זרימת המים ואת קיבולת הסחיפה של הנחלים (בייחוד בזמן הפשרת השלגים באביב ובשיטפונות בזק בקיץ). כמות המשקעים הגדולה יותר בתקופה זו גם הרחיבה מאוד את השטחים שבהם גדלו יערות העד. בעוד שבתקופתנו צומחים יערות העד החל מרום של 2,100 מטרים ומעלה, גדלו אז היערות גם עמוק בתוך הקניון. עם ספיקת מים גדולה בהרבה התחתר הקולרדו מהר יותר מאשר קודם לכן, והחל לחצוב במהירות את הגרנד קניון לפני כ-2 מיליון שנים, והגיע כמעט עד לעומק הנוכחי לפני כ-1.2 מיליון שנים.
כיוונו הכללי של הקניון הגדול של נהר הקולורדו הוא בערך ממזרח למערב למשך כ-447 קילומטרים, בין אגם פאוול לאגם מיד. לאורך מרחק זה צונח נהר הקולורדו כ-600 מטרים וסחף בדרכו כ-4,200 קילומטרים מעוקבים של משקעים על מנת לייצר את הקניון. בחלק זה חוצה הנהר את התרוממות קאיבאב בגובה של 3,000 מטרים וחוצה שבע רמות (רמות קאיבאב (Kaibab Plateau), קנאב (Kanab Plateau) ושיוויטס (Shivwits Plateau) תוחמות את חלקו הצפוני של הקניון ורמת קוקונינו (Coconino Plateau) תוחמת את חלקו הדרומי). כל אחת מרמות אלו תחומות בהעתקים ובמונוקלינות שכיוונם מצפון לדרום שנוצרו או שהופעלו מחדש במהלך האורוגנזה הלרמידית. פלגי מים שזרמו לתוך נהר הקולורדו ניצלו העתקים אלו על מנת לחצוב קניוני משנה, כדוגמת קניון ברייט אנג'ל (Bright Angel Canyon - "קניון המלאך הזוהר"). כל אזור הגרנד קניון משתפל מעדנות כלפי דרום, ולכן פלגי מים על הגדה הצפונית זורמים לתוך הקניון ופלגי מים על הגדה הדרומית זורמים ממנו והלאה. משום כך קניוני המשנה בצדו הצפוני של הגרנד קניון גדולים יותר מאלו שבצדו הדרומי.
פעילות געשית סוכרת את הקניון החדש.
פעילות געשית החלה בשדה הגעשי יואינקארט (Uinkaret volcanic field - במערב הגרנד קניון) לפני כ-3 מיליון שנים. מעל ל-150 קילוחי לבה בזלתית סכרו את נהר הקולורדו לפחות 13 פעמים, מלפני 725,000 שנים ועד לפני 100,000 שנים. סכרי הלבה נוצרו בדרך כלל תוך כמה שבועות. אורכם נע בין 19 ל-138 קילומטרים, גובהם בין 45 ל-600 מטרים (עבה יותר במעלה הזרם ודק יותר במורד הזרם) ונפחם נע בין 0.13 ל-5 קילומטרים מעוקבים.
אורך החיים של הסכרים ויכולתם לאגור את מי נהר הקולורדו באגמים גדולים שנויים במחלוקת בין החוקרים. על פי אחת ההשערות נאגרו מים מנהר הקולורדו מאחורי הסכרים באגמים נרחבים שהגיעו עד העיירה מואב (Moab) שבמדינת יוטה. מים מהאגמים שמאחורי הסכרים החלו להישפך מעל סכרים שגובהם בין נע 46 ל-120 מטרים תוך יומיים עד 17 ימים, אבל במקרה הקיצוני ביותר החלו מים להישפך אחרי 22 שנים.