Antelope Canyon powstał na skutek silnej erozji piaskowca Navaho, charakterystycznego dla tego obszaru. Wygładzoną powierzchnię skał kanion zawdzięcza okresowemu zalewaniu wodą opadową tworzącą silny potok płynący ku rzece Kolorado. Dno kanionu jest z reguły kamieniste, na potrzeby turystyki wysypywane piaskiem. Silne okresowe opady monsunowe powodują kumulację wody powyżej kanionów, po czym spływa ona przez Antelope do Jeziora Powella. Piaskowiec Navaho jest plastyczny, dzięki czemu woda łatwo formuje charakterystyczne wyżłobienia i wgłębienia o zaokrąglonych krawędziach. Powodzie w kanionie występują nadal. Jedną z większych było zalanie w październiku 2006 roku Antelope po trwającym 36 godzin przyborze, na skutek którego władze Parku zmuszone były zamknąć go na 5 miesięcy. Opady uniemożliwiające zwiedzanie wystąpiły także pod koniec lipca 2011 roku.