从地质角度上来看，峡谷谷壁地层断面层层叠叠，节理清晰。从谷底向上，沿崖壁的地质记录跨越了地球进化发展从前寒武纪到新生代的全部四个历史时期。前寒武纪和古生代的记录部分被暴露在大峡谷的谷壁之上，其中包含了许多化石组。大量的洞穴为化石和动物的残骸提供了庇护，一直将这些古生物记录保存到了更新世。这些不同层次的地貌反映了20亿年来的地质历史，这里是研究地壳形成的活标本，是了解地质知识乃至了解地球的生动课堂。大峡谷国家公园充分利用此优势，在公园内介绍景点的解说牌和旅游手册中，着重传播科学知识，并画出游人所站地点所看到的岩层的剖面图，标出不同岩层的名称、特点和形成年代以及为什么会出现这些特定的形状和颜色。

　　公园多样的地形地貌还导致了同样多样的生态系统。峡谷内的5个生活区代表了一块非常小的地理区域。大峡谷国家公园是正在缩减的生态系统中相对未被干扰的残余部分（如寒带森林和荒漠河岸社区），以及众多的特有物种、稀有物种和濒临灭绝的动植物的一个生态避难所。

　　这里还能发现史前人类适应极端恶劣环境的足迹。有时，数千年前人类居住过的证据会自行显现。考古学家在峡谷及其附近，找出了2700年前人的居住地点。普埃布洛村落、两个大地穴（仪式厅）与有800年历史的吐撒扬废墟的花园，这些均提供了一些峡谷史前人类普埃布洛人居住的线索。