Les chutes du Niagara, ainsi que la rivière Niagara et les Grands Lacs nord-américains, sont apparues lors de la déglaciation qui a suivi la période glaciaire du Wisconsin, il y a environ 30 000 à 50 000 ans. Durant cette période,cette région était couverte par un énorme glacier continental (inlandsis laurentidien) qui en fluant vers le sud depuis le territoire canadien oriental a broyé et transporté roches et sols sur son parcours. Il a surcreusé des vallées, emplacements des futurs lacs, et en a barré d’autres par des moraines.
Pendant et après la fonte de l'inlandsis, les cours d’eau ont dû se frayer un chemin vers le nord-ouest, dans une topographie bouleversée, en incisant de nouveaux lits. La localisation actuelle du canal Welland correspondrait à une ancienne vallée. Les flots provenant des Grands Lacs en amont formèrent l’actuelle rivière Niagara. Celle-ci ne pouvant plus suivre son ancienne vallée remblayée emprunta alors un nouvel exutoire passant par un escarpement de regard nord qu'il éroda en gorges. Cet escarpement est un front de cuesta dû à un pendage monoclinal vers le sud3 et à la résistance de la formation géologique du Lockport (-415 millions d’années, Silurien), résistante à l'érosion, entre le lac Érié et le lac Ontario. La partie inférieure de l'escarpement, composée de roches marines largement antérieures à la dernière glaciation, a ainsi été soumise à l'érosion de la rivière Niagara. Trois principales formations géologiques sont à l'affleurement dans les gorges du Niagara.
La rivière nouvellement établie rencontra d'abord la résistante formation du Lockport, dont l’érosion se fit beaucoup plus lentement que celle des roches plus tendres situées en dessous. La photo aérienne montre clairement le chapeau rocheux composé de la roche dure de la formation de Lockport (Silurien moyen), en amont des rapides. Son dénivelé représente environ le tiers supérieur de la hauteur des chutes. Cette formation est composée d’une couche très dense et très dure de calcaire et de dolomite.
Les deux tiers inférieurs de l'escarpement laissent apparaître la formation de Rochester (Bas Silurien), une couche beaucoup plus tendre et friable, avec un pendage plus fort. Elle est principalement composée de marne, bien qu’entrecoupée de fines couches de pierre calcaire, et contient de nombreux fossiles. Cette couche s'érodant plus rapidement, la rivière a contourné de part et d'autre l'éminence rocheuse dure et a creusé les chutes.
Submergée sous la rivière, dans la vallée inférieure, à l’abri des regards, se situe la formation de Queenston (Ordovicien supérieur), composée de schistes et de grès fins. Les trois formations proviennent d’une ancienne mer, et leurs différents faciès sont issus d’un changement de conditions de cette mer.
À l’origine, les chutes du Niagara étaient proches du site actuel de Lewiston dans l'État de New York et de Queenston en Ontario, mais l’érosion de ces crêtes a causé le recul des chutes d’eau de quelques kilomètres. Juste en amont de l’endroit actuel des chutes, Goat Island divisa le courant de la rivière Niagara, ce qui eut pour conséquence de séparer le « Fer à Cheval » à l’ouest des chutes américaines et Bridal Veil à l’est. Bien que l’érosion et la récession des chutes aient été ralenties dernièrement grâce aux nouvelles technologies, les chutes vont sans doute reculer assez loin pour drainer la plupart du lac Érié, dont le fond est plus profond que la hauteur des chutes. Les ingénieurs s’efforcent aujourd’hui de réduire le taux d’érosion pour retarder cet événement aussi longtemps que possible.
Les chutes tombent d’une hauteur de 52 mètres (170 pieds), bien qu'en ce qui concerne les chutes américaines l’on ne puisse voir clairement qu'une hauteur de 21 mètres (70 pieds) avant que l'eau n’atteigne un amas de roches brisées provenant d’un énorme rocher tombé en 1954. Les chutes canadiennes, les plus larges, ont une longueur d’environ 792 mètres (2 600 pieds), alors que les chutes américaines sont larges seulement de 323 mètres (1 060 pieds). Le débit des chutes durant la haute saison est de 5 720 m3/s. Pendant l’été, lors de la déviation maximale de l'eau servant à la production hydroélectrique, le débit chute à 2 832 m3/s, dont près de 90 % passent par « le Fer à Cheval ». Ce débit est encore divisé par deux durant la nuit, quand la majeure partie de la déviation de l'eau à des fins hydroélectriques se produit.
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