Similar al Sistema del Gran Valle del Rift en el Continente Africano, se cree que esta enorme estructura marciana es un ejemplo de valle de falla gigante. Su formación es principalmente tectónica y consta de 3 etapas que inician con el altiplano de Tharsis el cual comenzó a elevarse a medida que el magma se acumulaba hace ya 4,000 millones de años. La presión y el peso extra de este llevaron a que partes de la corteza formasen valles de graben hundidos a lo largo de las fallas.
La corteza comenzó a flotar sobre el magma y, empujada hasta el punto de la ruptura, se dividió a lo largo del Valles Marineris. Finalmente, la actividad tectónica, los deslizamientos de tierra, impactos de asteroides e incluso el Agua de deshielo podrían haber ampliado y profundizado el largo abismo para forma este valle formidable, extraordinario. Valles Marineris es considerado como una de las estructuras marcianas más interesantes.