Sierra Nevada ble dannet under den alpinske orogenesen, en fjellkjededannelse som også dannet Alpene i øst, og Atlasfjellene i Nord-Afrika på den andre siden av Middelhavet. Sierra Nevada, slik den ser ut i dag, ble dannet i tertiærperioden (for mellom 65 og 1,8 millioner år siden) på grunn av kollisjonen mellom den afrikanske og den eurasiske kontenentalplaten.