A região do Parque Nacional Serra da Capivara, entre 440 e 360 milhões de anos, foi coberta pelo mar Siluriano-Devoniano, limitado ao sul pelo escudo cristalino do Pré-Cambriano.

Por volta de 225-210 milhões de anos, durante o Triássico, um movimento tectônico de grande porte que iniciou a abertura do Atlântico sul, fez levantar o fundo do mar, criando a serra, formada por rochas sedimentares, arenitos e conglomerados. As chuvas esculpiram o relevo.

A paisagem atual da região do Parque Nacional da Serra da Capivara é formada por planaltos ou chapadas, morros, serras, serrotes e planícies. Estas várias formas de relevo que podem ser observadas, são o resultado de transformações que foram se produzindo, durante muito tempo, em dois diferentes grandes conjuntos geológicos. Estas formações são de idades muito antigas e são formadas por vários tipos de rochas e minerais.

Bacia Sedimentar Piauí-Maranhão e Depressão do Médio São Francisco são os nomes dessas duas formações geológicas.

A Bacia Sedimentar foi, portanto, há muito tempo, uma depressão, ou seja, uma parte do relevo coberta pelo mar, que foi sendo preenchida com sedimentos retirados pela erosão das áreas mais altas do entorno e carregados pelo próprio mar ou pelos ventos e chuvas. Com o recuo das águas do mar e o próprio peso das camadas de sedimentos formaram-se as rochas sedimentares que são o resultado da compactação e consolidação dos sedimentos. Posteriormente esta grande formação de rocha sedimentar foi levantada por um movimento tectônico, tornando-se um relevo mais alto que as áreas vizinhas.

O levantamento desta região é o reflexo principalmente do movimento de deriva continental, que por sua vez é reflexo da acomodação das placas tectônicas que até hoje movimentam-se separando o Brasil do continente africano, por exemplo.

Os fenômenos que ocorrem no interior da terra e as acomodações da parte mais externa da terra, que é a crosta terrestre, resultam em terremotos, maremotos, erupções vulcânicas em alguns locais do planeta.

Na região do Parque Nacional, formou-se um relevo alto constituindo um planalto. Este planalto durante muito tempo foi sendo erodido, principalmente nas suas bordas, criando irregularidades no relevo. Na superfície mais interna do planalto aparecem as áreas planas que são as chapadas e nas bordas do planalto aparecem as cuestas e canyons.

A cuesta que também é chamada de serra, é uma elevação assimétrica com uma frente, formada por altas paredes íngremes face à planície da Depressão, um topo e as costas ou reverso suavemente inclinado. Os canyons são o resultado dos processos de erosão. A cuesta e os canyons adquirem, como resultado da ação erosiva, um aspecto de ruínas, por isso esse relevo é chamado ruiniforme. Outra forma de relevo interessante que aparece na Bacia Sedimentar Piauí - Maranhão são os chamados inselbergs, que são testemunhos de formações rochosas que sofreram a ação da erosão e formaram maciços isolados de formas curiosas.

A formação geológica da Depressão Periférica do médio São Francisco é a área atualmente mais baixa da região, face ao planalto. Esta formação é conhecida também como Escudo Metamórfico Pré- Cambriano, pois nela aparecem as rochas pré-cambrianas, como o granito, que foram as primeiras rochas formadas na história geológica da Terra, chamadas rochas cristalinas. Algumas destas primeiras rochas sofreram transformações dando origem a novas rochas que são as chamadas metamórficas. Observa-se nesta formação a planície do vale do rio Piauí, as elevações dos serrotes de calcário com grutas e os inselbergs de gnaisse .

As águas que escorrem da área mais alta, que é a serra, para as partes mais baixas, que vão em direção ao vale do rio São Francisco, que é a Depressão do Médio São Francisco, geraram o pedimento, uma forma de relevo de erosão que ocorre numa superfície inclinada da saída da cuesta para o vale do rio. O pedimento está recoberto por grande quantidade de seixos.

Os sopés dos paredões da frente da cuesta, as paredes quasi verticais dos canyons são os principais locais onde encontram-se os abrigos arqueológicos com pinturas rupestres. Nos serrotes calcários algumas cavernas possuem pinturas rupestres em sua entrada e ossos fossilizados de animais da megafauna extinta foram encontrados nas camadas sedimentares dos salões internos.