從地質角度上來看，峽谷谷壁地層斷面層層疊疊，節理清晰。從谷底向上，沿崖壁的地質記錄跨越了地球進化發展從前寒武紀到新生代的全部四個歷史時期。前寒武紀和古生代的記錄部分被暴露在大峽谷的谷壁之上，其中包含了許多化石組。大量的洞穴為化石和動物的殘骸提供了庇護，一直將這些古生物記錄保存到了更新世。這些不同層次的地貌反映了20億年來的地質歷史，這里是研究地殼形成的活標本，是了解地質知識乃至了解地球的生動課堂。大峽谷國家公園充分利用此優勢，在公園內介紹景點的解說牌和旅游手冊中，著重傳播科學知識，并畫出游人所站地點所看到的巖層的剖面圖，標出不同巖層的名稱、特點和形成年代以及為什么會出現這些特定的形狀和顏色。

　　公園多樣的地形地貌還導致了同樣多樣的生態系統。峽谷內的5個生活區代表了一塊非常小的地理區域。大峽谷國家公園是正在縮減的生態系統中相對未被干擾的殘余部分（如寒帶森林和荒漠河岸社區），以及眾多的特有物種、稀有物種和瀕臨滅絕的動植物的一個生態避難所。

　　這里還能發現史前人類適應極端惡劣環境的足跡。有時，數千年前人類居住過的證據會自行顯現。考古學家在峽谷及其附近，找出了2700年前人的居住地點。普埃布洛村落、兩個大地穴（儀式廳）與有800年歷史的吐撒揚廢墟的花園，這些均提供了一些峽谷史前人類普埃布洛人居住的線索。