Каньон формировался в течение примерно 10 миллионов лет. Сначала Колорадо текла по огромной низменной равнине. Спустя годы равнина начала медленно подниматься, а река ответила на эти изменения ускоренным темпом течения. Свое дело сделали оползни, талые воды и летние ливни. Благодаря им каньон расширился в среднем до 16 км. В нем обнажились горизонтально залегающие горные породы на глубину более 1,5 км с различной окраской (самые нижние вскрытые вертикальные слои относятся к архею, следующие за ними наклонные — к докембрию, а верхние горизонтальные — к палеозою и мезозою).
Здесь возникли едва ли не самые полные в мире геологические обнажения, по которым можно представить историю Земли за 2,5 миллиарда лет.
А. Банников и В. Борисов пишут:
Оползни, вода и ветер создали в стенах каньона очертания разных величественных фигур. Многие из них имеют названия: Вишну Темпл, Шива Темпл, и др.
Северная часть Каньона делится на два участка: ближе к реке расположен канадский участок (на высоте 2400–2500 м), выше — гудзонский (на высоте до 2700 м). Северные уступы выше южных примерно на 300–600 м.
Большой Каньон выглядит со стороны большим „слоеным пирогом“. Верхние первые 150 м фунта заняты серыми, буро-желтыми и красными известняком и песчаником. На протяжении следующих 100 м идет слой желтоватого песчаника. Далее, на глубину 70 м, протянулся слой красного песчано-глинистого сланца. Еще ниже на высоту 250 м разместились нижнепермские, или супайские, красно-серые образования песчаника и сланцев. Следующие 150 м идут отложения нижнего карбона в виде известняка из красных раковин и кораллов. Слой высотой Юме бледно-пурпурными девонскими отложениями. Дальнейший 150-200-метровый пласт заняли зеленовато-серые сланцы кембрийских образований. Потом начинается так называемое Гранитное ущелье.
По дну ущелья, сузившись до 100 м, течет со скоростью 15 км/час река Колорадо, уступающая по размерам только Миссисипи и Миссури. Ее глубина в среднем превышает 5 м, иногда достигает 15 м. Колорадо ежесуточно перекатывает по каньону по 500 тысяч тонн глины и песка, а также камней. Ущелье реки Колорадо имеет длину 349 км, ширину 8- 25 км, максимальную глубину 1900 м.
Большой Каньон интересен метеоусловиями. Зимой, когда наверху идет снег, в глубине ущелья температура поднимается до отметки 10° выше нуля. Летом наверху дневная температура бывает 25–30°. На дне каньона — выше 40°.
Интересна живая природа заповедника. На дне ущелья — пустынный мексиканский ландшафт с кактусами, агавами, юкками. На плато растут рощи из желтой сосны и дуба Гамбеля.
Кроме того, растительность на северном и южном склонах, а также уступах каньона существенно различается. Так, кайбабскую желтую сосну и голубую ель, распространенные в северной части, не встретишь на юге парка. На южном склоне, на высоте от 2000 до 2500 м над уровнем моря появляются сосны вперемежку с можжевельником.
Богата и фауна национального парка. На его территории обитают 100 видов птиц (дятлы, сойки, гаички, синицы, каролинские поползни и др.) и 60 видов млекопитающих (койот, серая лисица, енот, бурундук и др.). Но если на северных склонах можно встретить белохвостую кайбабскую белку, занесенную в Красную книгу как редкий вид, то на юге парка — лишь обычную светлоокрашенную, а также чернохвостого оленя. Кстати, в последнее время популяция этой белки сокращается из-за отсутствия пожаров на территории Большого Каньона, так как зверьки очень охочи до камбия молодых сосен, которых становится все меньше.
В парке обитают 25 видов рептилий и амфибий. У реки живут ящерицы, кактусовые крапивники, пустынные вьюрки и даже гремучая змея.