太魯閣峽谷形成可分為二階段來敘述：
大理巖的生成：
太魯閣國家公園內的大理巖層的確實厚度是多少仍是未知，但地質學者們大多估計其垂直厚度應超過壹千公尺。由於斷層的錯動及褶皺的扭曲變形，使得吾人在中橫沿公路上所見到的大理巖綿延數公裏。這些大理巖的原巖是石灰巖（主要成分為碳酸鈣的沈積巖），也就是說，石灰巖經作高溫與高壓後會變質為大理巖。
(1)石灰巖的生成：
大約二億三千萬年前，當時古臺灣尚未形成，在熱帶至亞熱帶清澈的淺海環境中，有蜓科、有孔蟲、珊瑚、石灰藻等生長，構成生物礁。這些生物礁是由碳酸鈣成份為主的生物遺骸聚集而成。生物礁四周向海的壹側，受海浪作用成陡坡，礁體崩落成碎塊落入海中，沈積在陡坡之下。海底逐漸下沈，生物礁繼續維持在壹定深度範圍內生長，換言之，生物礁繼續向上生長，如此循回不已，生物礁的物質，常可沈積達壹千公尺以上。這些厚層的生物礁，保存在巖層中，受上部巖層的壓力，組織變得成更緊密，經膠結及再結晶作用成為厚層的石灰巖。
(2)造山運動：
臺灣東部原始二疊紀的石灰巖，受後期的造山運動及伴隨造山運動的變質作用，而使石灰巖轉變為大理巖。經過多次的造山運動，即多次的構造運動與變質作用，大理巖及其他巖石皆形成復雜的褶皺。
太魯閣峽谷的成因
(1) 臺灣島的形成：
約於四百萬年前開始，菲律賓海洋板塊的島弧與歐亞大陸板塊發生碰撞，古臺灣逐漸形成。至今碰撞作用仍在持續進行中，這可由花蓮地區或花東縱谷常有地震發生得以證明。花東縱谷以東是屬於菲律賓板塊之呂宋海溝與島弧物質；中央山脈及以西地區屬歐亞板塊。
由於菲律賓板塊的碰撞，擠壓亞洲大陸邊緣隆起而成為褶皺山脈，這就是中央山脈，上升為約四千公尺的高山。
(2) 大理巖層逐漸露出地表：
中央山脈不斷隆起，使上覆的巖層受風化侵蝕作用而剝失，以至深處的大理巖逐漸擡升露出地表。
(3) 流水的切割：
地殼的不斷隆起使具豐沛河水的立霧溪不斷切割太魯閣這塊臺灣地質上已知是古老的大理巖層。而由於大理巖致密不易崩落的特性，使其在立霧溪快速的下切作用下，形成近乎垂直的谷壁，造就今日的太魯閣峽谷。