张掖地质公园红层地貌地质遗迹由白垩纪红色碎屑岩经构造运动、风雨侵蚀、溶蚀作用、流水切割以及重力崩塌等作用而形成七种类型的红层地貌,丰富了中国红层地貌学科的内涵,具有中国北方干旱区红层地貌最具典型性特征。现保持自然状态,系统完整,在我国红层地貌中十分罕见。
张掖地质公园在大的构造单元上位于祁连山北缘大断裂上盘,北祁连板块缝合线及其北侧。张掖地质公园的地质发展史是祁连山造山带演化的重要组成部分。祁连造山带地质发展经历了古元古代陆块形成时期、中新元古代陆块成长和扩展形成大陆裂谷时期、新元古代-寒武纪洋壳化时期、早古生代俯冲以及陆壳碰撞构造活动时期。该区经历了四次性质不同的造山作用相关的主要构造-热事件,从早到晚分别为:古元古代末期的湟源运动,造成热挤压造山作用;新元古代末期的托莱运动,表现为陆块挤压造山作用;加里东晚期的祁连运动,也是祁连地区最为重要的、研究力度最大的构造作用,祁连洋关闭,在这个时期造山带开始形成,张掖地质公园的九个泉蛇绿岩套和蓝片岩等遗迹则是这个时期的产物;古生代的陆间碰撞挤压造山作用;中新生代的受到青藏高原隆起影响的推覆造山作用,气候环境频繁变换,在祁连山前沉积了色彩多变的下白垩统砂岩、砾岩、泥岩等,这些岩层受后期新构造影响和流失、风化作用的改造,最终形成了彩色丘陵、红层地貌等特色地质地貌。