Grønfjorden er skapt gradvis gjennom erosjon over millioner av år. Geologi]øen er relativt ung, med kull fra perioden kritt. Kullet er avsatt av en fauna av dinosaurer og vegetasjon Erosjon og glasiale prosesser i kvartær (siste to millioner år) bidro til å forme ut en U-dal og erodere grunnen sørlig midtveis i det som ble Grønfjorden. For 20 000 år siden var Isfjorden en stor, glasial smelteelv mens en stor isbre fylte Grøndalen. Denne isbreen hadde for 10 000 år siden trukket seg tilbake og innover i dalen, og dagens fjord lå igjen som en utdypet bukt som stadig ble tilført smeltevann og løssmasser fra sør og sørøst. Fjorden var kanskje 60 meter dypere enn i dag, senere landheving har vippet Svalbard opp og enket strandlinjen mot dagens nivå. Dagens vannstand er anslagsvis 5 500 år gammel.