从更新世到全新世（1800万年-1.1万年前）发生多次冰河时期，当时黄石公园的90%都被冰川覆盖着，从1550年到1860年还属于“小冰河时代”，冰川曾经向前推进。

落基山最初为巨大的地槽地区，到白垩纪初期还只是浅海，第三纪时发生了大规模的造山运动、火山爆发，地壳发生了强烈的褶曲与压缩，山脉再度隆起，形成了高大的花岗岩山系；第四纪时，冰川的作用又留下了陡峭的角峰、冰斗、槽谷等冰川侵蚀的地貌特征，再加长期的地壳变动，逐渐形成落基山的现状。

山脉主要形成于白垩纪末至第三纪初的拉拉米造山运动，在白垩纪末（约1亿4550万年前～约6550万年前）至老第三纪（6550万年前至2300万年前）。

从寒武纪早期时代（5.42亿年前以前）至白垩纪，地层受东西方向的压力，形成褶曲（地层呈波状弯曲）及断层（地层断开错离）并随之隆起。之后经抬升及旺盛的侵蚀，构造地形比较复杂。

黄石国家公园以北的北落基山，西部出露前寒武纪和古生代花岗岩，以高大的块状山体为主；东部在长列褶皱和冲断层构造基础上，条状山脉比较普遍，其间隔以断层谷地。

黄石公园至怀俄明盆地为中落基山，宽度较大。西部以条状山脉与断层谷地相间为特征；东部多为单一背斜隆起，边缘陡峭的高原状山脉，山体短促，走向不一，间隔以宽广的向斜盆地。

怀俄明盆地以南是南落基山，为整个落基山脉最雄伟的部分，由东西两组平行的背斜山脉组成，出露前寒武纪结晶岩，高度很大，海拔4200米以上的高峰有48座，埃尔伯特山即位于此。

在这个地域有被称为“布尔吉斯页岩”的地层。在寒武纪中期（5.13亿年前至5.10亿年前）的地层，接连发现了名叫“奇虾”及“怪诞虫”的化石，与现在的生物相比，它们的形状实在不可思议。

1980年，发现有布尔吉斯页岩的约霍国家公园首先被列选为世界自然遗产。后来，在1984年，入选为自然遗产的区域扩大，而成为加拿大落基山脉公园群。该区域丰富的动植物也享有盛名。松树、白杨树等森林延展至海拔1800米左右处。

海拔更高处可看到高山性、次高山性的花草及灌木。谷底、湖沼周边生长着湿地性植物。山区植被具有垂直分异的特点，垂直带图谱受制于高度、纬度和坡向。如森林带的上界自南向北逐渐降低；下界则湿润的西坡较低于干旱的东坡。

黄松、道格拉斯黄杉、帐篷松、落叶松、云杉等针叶树种分布较广。落基山脉地区的植物群落因高度、纬度和日照而有极大不同，在科罗拉多和新墨西哥的东坡，冬天的强风从干旱的平原而来，使散落的雪松和矮松发育不良或变形。在这一山系终端较低海拔处通常无树，只有河流沿岸有一片片三角叶杨和其他落叶树。

河谷和盆地中有灌木蒿，往北远至亚伯达南部。中等海拔地区的山地森林有白杨、黄松和黄杉。亚高山带森林由西方铁杉、黑松、西部红柏、白云杉和恩格尔曼氏云杉组成。随著纬度增高，林木线的高度降低。

在林木线以上，耐寒的草类、苔、地衣和高山苔原的低矮开花植物几乎遍布山脉各处。在最北部的山区，所谓的“小精灵树林”主要由矮小的柳树组成。森林和高草地上有数不清的野花，包括耧斗菜、御膳橘、飞燕草、龙胆和火焰草。

洛基山脉里面，动物种类繁多。在起伏的山脊间具有代表性的大型哺乳动物有黑熊、灰熊、棕熊、美洲山狮和狼貛。

大角羊和石山羊夏日栖於高崖上，冬季则迁往较低的山坡。鹿科动物如北美驯鹿、骡鹿和维吉尼亚鹿也随季节在高山草地和亚高山森林之间垂直迁移。形单影只的驼鹿常常出没於北部湖泊、溪流和沼泽地，以柳叶和水生植物为生。

怀俄明州的黄石国家公园有美国最大群的美洲野牛。丛林狼则在较低的山谷和沿著公路、铁路路线游荡。