天山神秘大峽谷公園地處西天山南麓,天山山脈由準噶爾、伊犁、塔里木三個板塊應力作用形成。公園則處于塔里木板塊北緣,橫跨南天山古生代陸緣盆地與庫車山前坳陷,是研究天山造山帶的關鍵區域,具有國際對比意義,堪稱造山帶天然博物館。本區的板塊活動要追溯到中元古代時期,其演化特征是圍繞古陸邊緣洋轉化為陸,有規律的向大陸增生。洋盆從發生、發展、消減、消亡、大洋閉合至陸內造山的轉化過程。公園內地層較齊全,除缺失石炭系外,從奧陶系至第四系均有出露 ,斷裂構造復雜,推覆構造明顯,地史演化時期長,從而鑄就了公園眾多奇特而驚艷的地質遺跡景觀。