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落基山脉的岩石形成时代早于落基山脉的隆升时间。最早的前寒武纪变质岩构成北美大陆的陆核。也有发现定年结果早于17亿年前的前寒武纪泥质板岩。古生代时期，北美大陆的西部属于浅海相沈积环境，沈积有数公里厚的灰岩和白云岩。
古老的岩石通过约3亿年前的宾夕法尼亚纪造山运动形成落基山脉南部，位于现今科罗拉多附近。此次造山运动形成了整个落基山脉最原始的山脉部分，主要由前寒武纪变质岩挤压浅海相层状灰岩隆升形成。山脉经过晚古生代和早中生代的风化剥蚀，形成大量沈积型矿床。
大约3.5亿年前的密西西比纪，北美大陆西缘的地块开始与北美大陆西缘发生碰撞，即安特勒造山运动。板块碰撞作用在之后的2.7亿年内都主要集中于北美大陆板块边缘，而远离现今落基山脉区域的西缘。直至8千万年前，板块碰撞效应才开始作用于现今落基山脉区域。
现今的落基山脉隆升作用开始于8000万年前至5500万年前之间的拉拉米造山运动。加拿大落基山脉隆升原理就好比在实木地板上挤压地毯：地毯发生弯曲形成山脉一样的褶皱。对于加拿大落基山脉，地体的俯冲作用就好比挤压地毯的作用力，古老的岩石类似地毯，而大陆板块中心的加拿大地盾则起到了实木地板的作用。
再往南位于美国境内的落基山脉增生可能是由法拉隆板块低角度向北美大陆板块俯冲形成的。低角度俯冲改变了俯冲熔融中心位置从而使美国境内落基山脉比加拿大境内落基山脉向东延伸300km-500km。低角度俯冲大大增加了俯冲板块与上覆巨厚大陆地块的摩擦力和其他相互作用力，陆壳堆积形成大量推覆构造，从而形成了相当宽广高耸的落基山脉。
现今的落基山脉南部是由宾夕法尼亚纪沈积岩和二叠纪时期原始落基山脉的沈积残余挤压造山形成。通常这些沈积残余沿着山体边缘具有较爲陡立的倾斜産状，并在整个落基山脉经常可见，尤其显著出露于早白垩纪时期由砂岩地层构成的现今落基山脉东侧的达科他拱背区域。
拉拉米造山运动后很快落基山脉就像西藏地块一样，隆升爲高于海平面约6000m的高地。经过6千万年的地表侵蚀运动，较高的山峰被夷平，下覆原始落基山脉部分出露地表，形成了现今爲我们所见的落基山脉。
第四纪冰川时期开始于180万年前至7万年前的更新世至1.1万年前的全新世，并在落基山区域留下了大量的U型谷和冰斗等冰川地貌痕迹。最近的冰期包括开始于15万年前的Bull Lake Glaciation和贯穿整个冰川时期并结束于1.5-2万年前的末次冰期。
以上所有的地质过程导致了现今我们可见的复杂的地表岩石构造。例如，6600万年前至260万年前，古近纪至新近纪的火山岩出露于圣胡安山脉及其他地区；数千年严重的地表侵蚀作用使怀俄明盆地从山间盆地变成了相对平坦的地块；提顿地区及其他中央北部地区发现有古生代和中生代的褶皱与断层状岩石披覆于12亿年前至33亿年前的元古代-太古代火成岩和变质岩之上。
