Para ilmuwan percaya sebagian besar ngarai kemungkinan besar retak terbuka miliaran tahun yang lalu ketika supergrup gunung berapi di dekatnya yang dikenal sebagai wilayah Tharsis pertama kali menonjol dari tanah Mars.
Magma yang menggelegak di bawah gunung berapi besar, termasuk Olympus Mons, bisa saja meregang dan merobek kerak bumi, yang akhirnya runtuh ke palung dan lembah yang membentuk Valles Marineris saat ini. Bukti menunjukkan bahwa sistem Canyon selanjutnya dibentuk oleh tanah longsor, aliran magma, dan sungai kuno setelah pembentukannya.