As especificidades da geologia do desfiladeiro não são bem compreendidas, excepto que é uma característica erosiva e não o resultado da glaciação. Após a erupção da caldeira de cerca de 600.000 anos atrás, a área foi coberta por uma série de fluxos de lava. A área também foi danificada pela acção dominadora da caldeira antes da erupção. O local do actual desfiladeiro, bem como quaisquer desfiladeiros anteriores, foi provavelmente o resultado desta falha, que permitiu que a erosão prosseguisse a um ritmo acelerado. A área foi também coberta pelos glaciares que se seguiram à actividade vulcânica. Os depósitos glaciares provavelmente encheram o desfiladeiro de uma só vez, mas desde então foram erodidos, deixando poucas ou nenhumas provas da sua presença. O actual desfiladeiro não tem mais de 10.000 a 14.000 anos, embora provavelmente tenha havido um desfiladeiro neste local durante um período muito mais longo. O desfiladeiro tem 800 a 1.200 pés de profundidade e 1.500 a 4.000 pés de largura.
O rio Yellowstone é a força que criou o desfiladeiro e as quedas. Começa nas encostas do Yount Peak, a sul do parque, e percorre mais de 600 milhas até à sua extremidade no Dakota do Norte, onde se esvazia no rio Missouri. É o rio mais longo e não contaminado dos Estados Unidos continental.
O desfiladeiro abaixo das Cataratas Baixas foi em tempos o local de uma bacia de géiseres que foi o resultado de fluxos de lava riolita, falhas extensas, e calor sob a superfície (relacionado com o hotspot). Ninguém tem a certeza exacta de quando a bacia de géiseres foi formada na área, embora provavelmente estivesse presente na altura da última glaciação. A acção química e térmica da bacia do géiser fez com que a rocha riolítica se alterasse hidrotermaticamente, tornando-a muito macia e quebradiça e mais facilmente erodível (por vezes comparada com a cozedura de uma batata). As provas desta actividade térmica ainda existem no desfiladeiro sob a forma de géiseres e fontes termais que ainda estão activas e visíveis. A área de Clear Lake (Clear Lake é alimentada por fontes termais) a sul do desfiladeiro é provavelmente também um vestígio desta actividade.
De acordo com Ken Pierce, geólogo do US Geological Survey, no final do último período glacial, há cerca de 14.000 a 18.000 anos, formaram-se barragens de gelo na foz do Yellowstone Lake. Quando as barragens de gelo derreteram, um grande volume de água foi libertado a jusante, causando enormes inundações repentinas e erosão imediata e catastrófica do actual desfiladeiro. Estas inundações repentinas ocorreram provavelmente mais do que uma vez. O desfiladeiro é um vale clássico em forma de V, indicativo de erosão do tipo rio e não de glaciação. O desfiladeiro ainda está a ser erodido pelo rio Yellowstone.
As cores do desfiladeiro são também o resultado de alterações hidrotermais. O riolito no canyon contém uma variedade de diferentes compostos de ferro. Quando a antiga bacia de géiser estava activa, a “cozedura” da rocha provocou alterações químicas nestes compostos de ferro. A exposição aos elementos fez com que as rochas mudassem de cor. As rochas estão, com efeito, a oxidar; o desfiladeiro está a enferrujar. As cores indicam a presença ou ausência de água nos compostos de ferro individuais. A maioria dos amarelos no desfiladeiro são o resultado da presença de ferro na rocha em vez de enxofre, como muitas pessoas pensam.