Hầu hết các thung lũng hiện có đã được hình thành bởi các điều kiện địa chất xảy ra hàng nghìn năm trước. Các sông và suối là nguyên nhân hình thành hầu hết các thung lũng hiện đại. Các dòng nước chảy cắt các thung lũng theo hình chữ "V" hoặc "U", khắc các cạnh có tường dốc và các tầng hẹp. Các thung lũng khác đã được tạo ra từ các sông băng lớn. Những khối băng tuyết khổng lồ từ từ di chuyển xuống dốc, để lại sau lưng chúng một thung lũng rỗng.
Thung lũng sâu nhất thế giới là sông Kali Gandaki ở Nepal. Nó nằm giữa hai đỉnh Himalaya cao 8.000 mét được gọi là Dhaulagiri và Annapurna. Dãy Himalaya là một trong những điểm nâng cao kiến tạo tích cực nhất của Trái đất và thung lũng này minh họa cho sự sụt giảm nhanh chóng xảy ra ở những khu vực có tốc độ nâng lên nhanh chóng.
Thung lũng được biết đến nhiều nhất là Grand Canyon của sông Colorado ở Arizona. Grand Canyon sâu 1 dặm và rộng từ 180 mét (590 foot) đến 30 km (19 dặm). Nó được hình thành khi sông Colorado tạo thành một khối đá trầm tích cao nhô lên.
Khi nước sông ở thung lũng uốn lượn gần biển hơn, chúng đi theo các đường cong tự nhiên trong đất bằng cách loại bỏ trầm tích từ các khúc cua bên ngoài và lắng đọng ở những khúc cua bên trong. Việc đào xuống, đất đá và bùn đất được nạo vét từ giữa kênh, dẫn đến các vực sâu và mảnh như Hẻm núi Đen trong Công viên Quốc gia Gunnison của Colorado.
