由于海拔差异，峡谷北岸的气温相对低于南岸 。冬季，该地区常有大量降雪 。从北岸观望，峡谷的扩张较为明显 。
大峡谷的边缘是一片森林，越往峡谷中走温度就越高，到峡谷底端则近似荒漠地带，因此大峡谷中包含了从森林到荒漠的一系列生态环境 。国家公园内的植物多达1500种以上、并有355种雀鸟、89种哺乳类动物、47种爬虫动物、9种两栖类动物、17种鱼类生活其中 。第26任美国老板西奥多罗斯福也是大峡谷的众多热爱者之一，他多次在此猎捕美洲狮或是欣赏风景 。
大峡谷之所以如此之深、其岩层（大部分在海平面以下形成）如此高耸，可能要归功于大约6500万年以前科罗拉多高原将近1500至3000米的抬高 。这一抬高使科罗拉多河及其支流的倾斜度大大增加，从而加快了其流速、增强了其下切岩石的能力 。
科罗拉多河盆地（大峡谷是它的一部分）已有4000万年历史，但大峡谷本身的历史或许还不到600万年（大部分侵蚀是在最近200万年内才发生的） 。所有这些侵蚀的结果就是——造就了地球上最完全的地质宝库之一 。
科罗拉多大学(University of Colorado)的丽贝卡·M·弗劳尔斯(Rebecca M. Flowers)和加州理工学院(California Institute of Technology)的肯尼思·A·法利(Kenneth A. Farley)使用了一种经过改进的测定年代的方法，其测量对象是磷灰石这种矿物中铀和钍原子经过放射性衰变后变成氦原子 。他们表示，这会导致谷底下面的岩石留下热记录，因为深处的岩石很烫，但距地表较近的岩石温度较低 。
这两名地质学家称，分析这些数据可以揭示出，地表侵蚀在什么地方“挖出”了峡谷，以及大峡谷地区出现显著的“自然挖掘”距今已有多长时间 。他们在报告中得出结论称，大峡谷西段在大约7000万年前就基本形成了，那时的深度距离现代的深度在几百码以内 。
在冰河时期，相对较潮湿的气候使古科罗拉多河水系的总水量有所增加，从而加快了其下切河道的速度 。
530万年前，加利福尼亚湾（Gulf of California）被打开，使得古科罗拉多河河床位置降低 。这一变化直接导致下切侵蚀比例的增加 。从那时起至120万年前，古科罗拉多河下切到了与现在相差无几的深度 。如今呈阶梯状的岩壁是由差别侵蚀造成的 。
100万年前，该地区的火山活动（大多数在峡谷的西部区域附近）产生了大量火山灰与熔岩（甚至曾将河道完全阻塞），随后沉积形成火山岩——这是峡谷中的最为年轻的岩石 。
大峡谷国家公园分南北两部分，南缘一年四季开放，有许多游客服务设施；北缘海拔比南缘稍为高一点（高约三百米），冬天下雪较厚，因此只有夏天开放，自然环境也保持得比较原始，没有任何公共交通可抵达 。大部分人因为时间有限，资金有限，他们参观大峡谷都只去了它的南缘 。
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