Bis vor etwa 130 Millionen Jahren war das Gebiet der heutigen Sierra Nevada vom Meer bedeckt. In der Trias kollidierte als Folge der Kontinentaldrift ein Inselbogen mit der westamerikanischen Küste und setzte eine Gebirgsbildung in Gang, wobei metamorphe Gesteine entstanden, die heute den wesentlichen Bestandteil der Sierra Nevada bilden.
Durch das Aufeinanderprallen der Pazifischen auf die Nordamerikanische Platte vor etwa 250 Mio Jahren drangen aufgeschmolzene Gesteinsmassen weit in die oberen, aus marinen Sedimenten bestehenden Schichten ein und erstarrten zu Granit. Vor etwa 80 Mio. Jahren begann der Granit sich aufzufalten. Die auf dem Granitgestein abgelagerten Meeressedimente wurden dabei teilweise abgetragen und lagerten sich in Tälern ab.
In seiner heutigen Gestalt ist die Sierra Nevada ein junges Gebirge, das vor etwa 25 bis 2 Millionen Jahren emporgehoben wurde.
Ihre heutige Gestalt erhielt die Bergkette durch Verwitterung und Erosion. Im Unterschied zu der Vergletscherung, die weite Teile Nordamerikas bedeckte, war die Vergletscherung der Sierra Nevada uneinheitlich. Einige Gebiete waren gar nicht, im nördlichen Teil waren nur die höheren Gipfel vergletschert.
Die Gletscher rissen Gestein aus den Bergflanken und formten die V-förmigen Flusstäler in U-förmige Trogtäler um. Bäche, die sich während der Vergletscherung auf Eis ergossen, stürzen nach dem Rückgang der Gletscher als Wasserfälle zu Tal. Auf diese Weise wurden das Yosemite-Tal und die Flusstäler des San Joaquin, Kings, Kaweah und Kern Rivers geformt. Als die letzte Eiszeit vor etwa 10.000 Jahren endete, waren die Gletscher geschmolzen und hinterliessen Endmoränen und Tausende von Bergseen.
Die vulkanische Aktivität der letzten 3 Millionen Jahre formte Bimssteinformationen.
Vor 760‘000 Jahren formte eine enorme Eruption das Long Valley Caldera, östlich der Sierra und deponierte Asche bis nach Nebraska.