parkens geologiske historie er relateret til den nærliggende Grand Canyon og Sion national parks, da grundstenen til alle tre blev lagt ned, mens hele regionen blev oversvømmet af et lavt hav; sandsten og kalksten senge af Bryce Canyon blev imidlertid dannet for nylig i løbet af de sidste 60 millioner år (den Cenosoiske æra). For omkring 13 millioner år siden begyndte landet at stige langsomt, og plateauer eller tablelands, der stiger så meget som 2.000 fod (610 meter) over det omkringliggende landskab, blev skabt langs fejllinjer. Fra den østlige kant af Paunsaugunt Plateau, erosion, hovedsageligt forårsaget af frysning og optøning af vand i Klippernes revner, skåret en række hesteskoformede amfiteatre. Inden for 12 af disse amfiteatre og under kanten af plateauet er de farverige formationer, som parken er kendt for, lavet hovedsageligt af kalksten lagdelt med sandsten; disse strukturer inkluderer Tinder, vinduesvægge, labyrinter, spir, Katedraler, udsparinger, og finner. Hiking and horseback riding trails that descend some 500 feet (150 metres) below the plateau’s rim allow visitors access to the rock formations.

parkens høje rand er en del skov og en del græs og sagebrush, med gran, fyr og asp den dominerende træart. Ved lavere, tørrere højder dominerer pi priton pine og Utah enebær. Parken huser mange pattedyr, herunder hjorte, piggsvinog jordegern; præriehunde, som var blevet udryddet fra parken i 1950 ‘erne, blev genoprettet i 1970’ erne. blandt de mange fuglearter, der findes i området, er hakkespetter, Stellers jay, Den Blå Rype og ravne.