שכבות הסלע שנוצרו בפרם והטריאס, מלפני 300 מיליון עד לפני 200 מיליון שנים לפני זמננו, שבמקומות שונים ברמת קולורדו שולטים בסטרטיגרפיה של גרם המדרגות הגדול, כמעט ולא קיימים באגן פרדוקס. שכבות אלו הוסרו מהאתר בשל סחיפה לסירוגין. קיימים רק משקעים מבודדים מתצורת קאטלר (Cutler Formation) מהפרם ומתצורת מואנקופי כמו גם תצורת צ'ינלה מהטריאס. אפילו מתחילת היורה, לפני כ-200 מיליון שנים, נשמרו רק שכבות דקות. אלו נוצרות על ידי דיונות חול, שהצטברו בעזרת רוחות מעל שכבות המלח שנחשפו לאחר סחיפת השכבות מהפרם ומהטריאס. לאורך זמן גאולוגי רב עברו הדיונות מילוט תחת לחץ מהשכבות שמעליהן ונוצרה שכבת תצורת אבן חול וינגייט (Wingate sandstone). במעט מקומות מעל שכבה זו נוצרה שכבה דקה של אבן החול של תצורת קנייטה (Kayenta Formation), ששקעה כחולות במניפות סחף. שכבה משמעותית מעליהן היא תצורת אבן חול נאוואחו. מקורה מדחיסה של דיונות שנוצרו מפעילות של רוחות. ניתן לצפות בצורות המעוגלות, שהן תוצאה של ההתגבשות של הדיונות ובהן מבנים חופפים בכיוונים משתנים, כמעט בכל מקום בפארק כשכבה העליונה ביותר.
השכבות הבאות הם תצורת כרמל (Carmel Formation), שהושקעה בים רדוד לפני 160 מיליון שנים באמצע היורה, ומעליה תצורת אבן חול אנטרדה בת 150 מיליון שנים שנוצרה בשלהי היורה, כאשר האזור כוסה שוב במשקעים חוליים הטרוגניים. הפרט התחתון קרוי "פרט דיואי ברידג'" (Dewey Bridge Member, מילולית "גשר דיואי") והפרט מעליו הוא "פרט סליק רוק" (Slick Rock Member, מילולית "סלע חלקלק"). מרבית הקשתות בפארק נוצרו בפרט סליק רוק. ישירות מעל פרט סליק רוק מונח פרט מואב (Moab member) השייך לתצורת קרטיס (Curtis Formation). שכבה זו הייתה מכוסה ב-1,600 מטרים של סלעים צעירים יותר משלהי היורה ועד הקרטיקון, שבתחומי הפארק נסחפו לחלוטין, אבל סביב הפארק הם קיימים בדמות אבני החול של תצורת סמרוויל (Summerville Formation) ותצורת מוריסון משלהי היורה, ותצורת סידר מאונטיין (Cedar Mountain Formation), תצורת דקוטה (Dakota Formation) ופצלי מנקוס (Mancos Shale) מהקרטיקון. ברביעון המשקעים נסחפו בנהר הקולורדו, ועל פני השטח של הפארק יש חול רב שלא התגבש מסחיפה שעדיין מתרחשת והמוסע על ידי הרוח.
היווצרות קשתות האבן הטבעיות.
הגורם להיווצרות תוואי הנוף הייחודים לפארק: קשתות האבן הטבעיות, צריחי אבן, גושי סלע מאוזנים, צלעות אבן ומונוליתים שעברו סחיפה, הוא שילוב בין משקעי המלח התת-קרקעיים, אבן החול ההטרוגנית והגובה הרב מעל פני הים והשפעת האקלים בשל כך. כבר בתקופת היורה הפעילו שכבות הסלע לחץ על שכבת המלח האלסטית שמתחתיהן ובהשפעתו חל עיוות בשכבות ונוצרה כיפת מלח בעובי 3,000 מטרים. הכיפות נוצרו במקומות שונים ויצרו קמרים. הכוחות שפעלו מלמטה על השכבות העליונות יצרו סדקים באבן החול. הסדקים נוצרו במקביל והתמשכו לאורך כמה קילומטרים.
כאשר ההתרוממות הטקטונית של רמת קולורדו התרחשה בין לפני 10 מיליון ל-5 מיליון שנים, הסחיפה התגברה. השכבות העליונות נסחפו כליל ונחשפו שכבות הסלע של תצורת אנטרדה, שגונה אדמדם, ואבן חול נאוואחו, בצבע צהבהב, על פני השטח. מים החלו לחדור לסדקים. למים היו שתי השפעות. הראשונה, סחיפה בשל היווצרות קרח. בלילה המים קפאו ומכיוון שנפח הקרח גדול מנפח המים שמהם נוצר הוא מפעיל לחץ על דפנות הסדקים ומפורר אותם, כשהרוח מסלקת את שבבי הסלע. ההשפעה השנייה, המסת המלח. המים הגיעו עד לכיפת המלח ובאיטיות המסו אותה. הסלעים שמעל לכיפה איבדו את היסודות שלהם והחליקו במורד הסדקים. עקב כך נוצרו סדקים בקצוות של הקמר לשעבר, והסדקים התרחבו. ביניהם התרוממו צלעות מאבן (הקרויים באנגלית Fin, סנפיר). בתחומי הפארק יש שני עמקים שהם תוצאה של קמרים מוארכים שהתמוטטו, עמק סולט (Salt Valley) ועמק קאש (Cache Valley). מרבית הקשתות הן בשולי עמקים אלו. האזור קרוי "פיירי פורנס" (Fiery Furnace, מילולית "כבשן האש"), שמרבית הקשתות הצעירות והקטנות יותר נמצאות בו שוכן במפגש ביניהם.
קשת אבן נוצרת כאשר צלע של אבן חול עשויה מכמה שכבות כשהשכבה התחתונה רכה יותר. זה המצב הנפוץ במעבר בין פרט דיואי ברידג' לפרט סליק רוק בתצורת אנטרדה, מכיוון שפרט דיואי ברידג', הרך יותר, מתפורר קודם. אם תופעה זו מתרחשת משני צדי הצלע נוצר חור ההולך ומתרחב והתוצאה קשת אבן. התופעה מוגדרת כקשת רק אם רוחב החור המקסימלי עולה על 3 רגל (90 סנטימטרים).
אם הלחצים על הקשת גדולים מדי היא מתמוטטת. כיוון שתהליך הסחיפה נמשך גם בימינו צפוי גורל זה לכל הקשתות. כך למשל בלילה שבין ה-4 ל-5 באוגוסט 2008 התמוטטה לחלוטין הקשת המכונה "קשת וול"" (Wall Arch), שהייתה אז הקשת השנים עשר בגודלה בפארק, ושהייתה ממוקמת על השביל העמוס המכונה "שביל דוולס גרדן" (Devils Garden Trail, מילולית "גן השטן").
אפשר לצפות בפארק בשלבים השונים של יצירת הקשתות. תוואי נוף אחרים נוצרים ונעלמים באופן דומה.
מערכות אקולוגיות.
הפארק הלאומי ארצ'ס שוכן באזור האקולוגי: "אדמות קניונים ואדמות דרגשים. צחיחים למחצה" (Semiarid Benchlands and Canyonlands), חלק מרמת קולורדו. האזור מאופיין על ידי חבורות של עשב, שיחים ויערות ושונה מאזורי הקניון הנמוכים יותר והצחיחים בשל הבדלי הגובה. הנוף מאופיין על ידי רבדות ודרגשים מעל נחלים, שבהם שוכנים הרי שולחן וקניונים תלולים. במקרים רבים, יש מחשופי סלע. הקרקע היא אנטיסול (Entisol) של חולות.
כ-10% משטח הפארק הם ערבות עשב, כ-40% יערות דלילים ובכ-50% משטח הפארק אין צמחייה בכלל. יש גם אתרים קטנים מיוחדים, כדוגמת צמחיית הגדות של הקולורדו, מעיינות וגבים המתמלאים במים עונתית.
הצמחים הטיפוסיים הם עשבים, ירבוזיים, שרביטן, מלוח מאפיר ("Atriplex canescens"), מלוח, לענה משוננת ("Artemisia tridentata"). אורנים וערערים מעדיפים מקומות שבהם הקרקע שטוחה וסלעית.
בכל רחבי הפארק ניתן לצפות בקתרטס תרנגולי ובסיס לבן-גרון ("Aeronautes saxatalis") עפים בשמים. למעלה מ-180 מינים של עופות נצפו בפארק, כולל עופות נודדים ואורחים מזדמנים.
מעל ל-50 מינים של יונקים אותרו בפארק. רובם נדירים או קיימים רק במספרים קטנים. לעיתים קרובות, יש בפארק רק מעט מכרסמים ועטלפים. היונק הגדול ביותר החי בקביעות בפארק הוא אייל פרדי שחור-זנב. את תת-המין המדברי של כבש גדול-קרניים ("Ovis canadensis nelsoni") אפשר לראות רק בדרום הפארק קרוב לנהר הקולורדו. אנטילוקפרה אמריקנית היא אורחת מזדמנת לעיתים.
הפארק הוא משכן ל-15 מינים של לטאות ונחשים הניזונים בעיקר מחרקים ויונקים קטנים. הם בעצמם מהווים מקור מזון חשוב לדורסים וטורפים. הם מותאמים היטב ליובש ולחום המדבר ובקור העז של החורף הם נכנסים לתרדמת חורף. בין הלטאות הנצפות לעיתים קרובות: "Aspidoscelis tigris" (באנגלית Western whiptail) ולטאה מכותמת-צד. בניגוד להן, הנחשים החיים בפארק פעילים בעיקר בלילה. שני מיני הנחשים הארסיים החיים בפארק: תת-מין של עכסן פסיפי ("Crotalus oreganus concolor") ועכסן הערבות ("Crotalus viridis") הם נדירים. הנחש הנפוץ הוא "Masticophis taeniatus" (באנגלית Striped whip-snake), התוקפני, אך שאינו ארסי ופועל בעיקר ביום.
ערבות עשב.
עשבים גדלים עד לגובה שבו יש סלעים חשופים בכל רחבי הפארק. על כ-10% משטח הפארק צומחים עשבים בלבד, ושטחים אלו מכונים ערבות עשב (Grassland). הצמחים הבולטים בערבות העשב הם "Bouteloua gracilis" (באנגלית Blue grama) ועשבים מהסוג "Hilaria", שניהם מתת-המשפחה "Chloridoideae" במשפחת הדגניים. מינים מגוונים אחרים בפארק כוללים את "Oryzopsis hymenoides" (באנגלית Indian ricegrass), כמה מינים של מדחול ("Sporobolus") וברומית הגגות ("Bromus tectorum"), שהובאה כמין זר למערב ארצות הברית והצליחה להתפשט במיוחד על קרקעות שניזוקו מרעיית יתר. עד 1982 הותר רעייה של בקר בתחומי הפארק הלאומי, כך שהמערכת האקולוגית של ערבות העשב השתנתה מאוד בהשוואה למצבה המקורי. עופות נפוצים בערבות העשב הם "Sayornis saya" (באנגלית Say's Phoebe), "Amphispiza bilineata" (באנגלית Black-throated Sparrow) וסטורנלה נגלקטה.
חבורות דלילות של לענה משוננת ("Artemisia tridentata") ומינים מהסוג "Sarcobatus" גדלות במקומות מתאימים, הלענה בעיקר על חול רופף ו-Sarcobatus בעיקר על קרקעות מלוחות.
יערות.
חורשות דלילות של אורן פיניון (כמה מינים המייצרים צנוברים אכילים), בייחוד אורן דו-מחטי ("Pinus edulis") וערער יוטה ("Juniperus osteosperma") הם חברת הצומח הנפוצה ביותר בפארק. בכל מקום שבו נוצרו קרקעות עמוקות יותר או בסדקים בסלע המאפשרים חדירה של השורש השיפודי גדלים עץ בודד או קבוצה של עצים ממינים אלו, כשהערער נפוץ מעט יותר מהאורנים. תת-היער גם הוא דליל, 90 מינים אחרים המעדיפים צל. עץ נוסף הגדל בפארק הוא מין השיטה "Vachellia rigidula" (באנגלית Blackbrush Acacia), שבשל האקלים הקשה בפארק גדל לגובה שאינו עולה על מטר והוא דומיננטי בקרקעות שטוחות, אבל גדל גם בדיונות חול במקומות מתאימים, אם הדיונות אינן נודדות. במקרה זה יכול מין זה לקבע את הדיונה. עופות נפוצים ביערות אורן הפיניון הם: עורבני השיחים ("Aphelocoma californica"), "Gymnorhinus cyanocephalus" (באנגלית Pinyon Jay) ו-"Setophaga nigrescens" (באנגלית Black-throated gray warbler).
שטחים נטולי צמחייה.