A região candidata à Geoparque está inserida na margem sudeste da plataforma Continental Sul-Americana, na porção sudeste da Província Geológica da Bacia Sedimentar do Paraná (Almeida et al., 1977). A bacia sedimentar do Paraná, por sua vez, corresponde à porção Sul-Americana da grande unidade geológica que recobria os dois continentes, sul-americano e africano, antes da separação do Gondwana (bacia do Paraná-Etendeka).

Direcionando o conhecimento para a bacia do Paraná, esta grande unidade geológica foi desenvolvida sobre crosta continental e preenchida por unidades sedimentares e vulcânicas. Sua história geológica teve início há cerca de 450 milhões de anos, a partir do Siluriano/Devoniano Inferior, e teve seu término há cerca de 65 milhões de anos, no Cretáceo (Milani et al., 1994). A bacia do Paraná recobre uma área aproximada de 1,5 milhões de km2, incluindo porções territoriais do Paraguai oriental, nordeste da Argentina, norte do Uruguai e Brasil meridional, estendendo-se pelos estados de Minas Gerais, Mato Grosso, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul, no Brasil.

O registro geológico desta bacia é representado por uma espessura total máxima em torno dos 7.000 metros, materializando a evolução estratigráfica de grandes unidades ou supersequências que representam as fases de subsidência e acumulação de sedimentos e, posteriormente, soerguimento e extrusão de grande quantidade de lava na bacia do Paraná. Estas supersequências são constituídas por pacotes rochosos que representam intervalos temporais com algumas dezenas de milhões de anos de duração.

Na área compreendida pelo projeto Geoparque Caminhos dos Cânions do Sul destacam-se os episódios finais do preenchimento destas bacias e suas conexões com o rompimento do supercontinente Gondwana (Wildner et al., 2009), representados localmente pelas formações Botucatu e Serra Geral.

A partir do final do Jurássico, no interior do Gondwana instalou-se uma forte condição de desertificação, onde se acumularam extensos campos de dunas por ação eólica, que formaram os espessos pacotes de arenitos que hoje constituem a formação Botucatu. São estes mesmos arenitos que dão condição para a importante reserva subterrânea de água, denominada Aquífero Guarani.
No início do Cretáceo, a aproximadamente 135 milhões de anos atrás, a condição estabelecida pelo “deserto Botucatu” foi sucedida pelo início de ruptura do paleocontinente Gondwana, quando a crosta foi submetida a um colossal fendilhamento, associado à magmatismo de proporções sem similares na história do planeta. Este episódio foi resultado de uma intensa manifestação magmática dos estágios antecessores da ruptura do Gondwana e abertura do Atlântico Sul (Milani et al., 1994), quando foi gerado o empilhamento de até 2.000 m de rocha basáltica que constituem a formação Serra Geral sobre os sedimentos da Bacia do Paraná, além de intruir-se por entre os mesmos na forma de diques e sills.

A formação Serra Geral representa uma ampla província magmática que foi constituída por diversas sequências de derrames de rochas vulcânicas. 95% da área recoberta por rochas vulcânicas da bacia são constituídas por rochas de composição básica (com 45 a 52% de teor de sílica), contrastando com cerca de 5% de rochas de composição ácida (com >65% de teor de sílica) aflorantes nos contrafortes da Serra Geral, especialmente na região dos Aparados da Serra (Wildner et al., 2009). Este diferencial na composição química das sequências de derrames contribuiu fortemente no controle a resistência à erosão que posteriormente formaram os cânions desta região.

O desenvolvimento de paredões rochosos e o consequente recuo da escarpa também estão claramente relacionados às condicionantes estruturais de controle morfológico dado por um sistema de lineamentos tectônicos que seccionam toda a região. Estes lineamentos estão associados a sistemas de falhamentos e fraturamentos, produto dos grandes processos de rompimento da crosta que possibilitaram o profundo entalhamento do sistema de drenagens e a formação das escarpas e cânions (Wildner et al., 2004).

A ruptura do paleocontinente Gondwana foi acompanhada de um amplo soerguimento de toda a borda leste do recém-criado continente da América do Sul e da borda oeste da África, fazendo com que os derrames vulcânicos e as rochas subjacentes fossem erguidas (Wildner et al., 2009). De acordo com Dantas et al. (2005 apud Godoy et al., 2011), todo o cenário morfológico da costa catarinense está associado a este soerguimento da Serra Geral, que produziu desnivelamentos superiores a 1.000 m, representada por uma escarpa de borda de planalto.

Uma vez formada a escarpa da Serra Geral, durante o Cenozóico, as distintas velocidades de alteração entre rochas de diferentes composições, os profundos fraturamentos existentes e a atuação dos processos de erosão fluvial através dos tempos, foram lentamente esculpindo a paisagem, resultando na atual morfologia da Serra e seus cânions (Wildner et al., 2009). Estabeleceu-se nesta região um progressivo recuo dessas escarpas de borda de planalto por erosão regressiva, onde os pequenos cursos que se dirigiam para leste entalharam vales curtos e profundos nas escarpas, formando o cenário de maior relevância geológica e geomorfológica.

É neste contexto geológico e geomorfológico que se destaca o imponente conjunto de cânions escavados na sequência vulcânica da formação Serra Geral, localizados a menos de 30 km de distância da planície litorânea.