纪念碑谷是科罗拉多高原的一部分。谷底大多是含粉砂岩的卡特勒层（Cutler Formation）地层或从河流切穿峡谷形成的砂沉积。纪念碑谷的鲜艳红色来自铁氧化物从风化的砂岩中暴露。谷中较暗的蓝灰色岩石则是来自氧化锰。

谷中的孤峰清楚分成多个地层，最主要的地层有三个。最底下的地层是称为 Organ Rock 的页岩，中间则是谢伊层砂岩（de Chelly），最顶层则是称为孟科匹（Moenkopi）层的页岩，更上方被称为Shinarump 的粉砂岩覆盖。纪念碑谷内有许多巨型岩石结构，其中包含了“太阳之眼”（Eye of the Sun）。

1948年到1967年之间，纪念碑谷南方边界的 Monument Upwarp 有铀矿的开采，主要是在 Shinarump 粉砂岩分布区域；部分沉积岩的铀矿同时也有钒和铜矿（参见亚利桑那州的铀矿开采）。