Le Canyon est creusé par l’érosion intense que subit l’île de Kauai que depuis cette dernière a été emportée à 400km au nord-ouest du point chaud d’Hawaï par le déplacement de la plaque Pacifique. En effet avec un climat tropical et son relief l’île reçoit de très puissantes précipitations.
La canyon de Waimea entaille de puissantes formations de laves basaltiques(tholéiitiques) empilées qui constituait un volcan bouclier. Ces formations se sont mises en place il y a entre 5,1Ma et 3,5Ma. Depuis cette période l’ïle est dans une phase destructrice malgré qu’un volcanisme résiduel (alcalin) se soit maintenu jusqu’à -0,5Ma.