Khu vực này là một phần của Cao nguyên Colorado. Nền thung lũng đa phần là đất đỏ bột kết hoặc cát lắng đọng từ những con sông chảy uốn khúc khi bào mòn thung lũng. Màu đỏ sặc sỡ của thung lũng là do ôxít sắt bám bên ngoài bột kết bị phong hóa. Đá màu xám xanh đen trong thung thủng là do màu của ôxít mangan.

Các mô đất có hình dạng tầng với ba lớp chính. Lớp dưới cùng là đá phiến sét Organ Rock, giữa là sa thạch de Chelly và trên cùng là đá phiến sét Moenkopi bị phủ một lớp mỏng bột kết Shinarump. Thung lũng gồm có nhiều cấu trúc đá lớn trong đó có "Eye of the Sun" (Mắt mặt trời) nổi tiếng.

Từ năm 1948 và 1967, phần phía nam của thung lũng bị khai thác để lấy urani. Urani phân bố phân tán trong các khu vực có bột kết Shinarump; vanadi và đồng cũng có mặt cùng với urani trong các trầm tích này (xem khai thác urani ở Arizona).