Uluru und Kata Tjuta liegen am südlichen Rand eines Sedimentbeckens, des Amadeus-Beckens. Diese 170.000 km² große Mulde entstand vor etwa 900 Millionen Jahren. Über hunderte von Millionen Jahren hinweg lagerten sich darin Gesteinsschichten ab. Nach etwa 300 Millionen Jahren endete dieser Prozess, und über den Ablagerungen entstand ein flacher See.Der See trocknete aus,es bildeten sich Salzkrusten und es folgte ein längere Kälteperiode.Da das Amadeus-Becken keinen nennenswerte Vegetation,sondern nur Bakterin und Algen aufwies,war die Berglandschaft nicht vor den Prozessen der Erosion geschützt,verwitterte sehr schnell und es entstanden Ablagerungen. Letzten Endes sind Uluru und Kata Tjuta das Produkt dieses Ablagerungsprozesses und sie entstanden zur selben Zeit vor ca. 550 Mio. Jahren.
Vor 500 Millionen Jahren bedeckte erneut ein flacher See dieses Gebiet. Die Ablagerungen waren 2,5 km hoch und wurden von Sand, Schlamm und abgestorbenen Seetieren des Sees bedeckt.Vor 400 bis 300 Millionen Jahren trat der See zurück und die Felsen wurden gefaltet. Eine zweite Faltung fand statt, die sich über den Seespiegel empordrückte und die von Geologen als die „Gebirgsbildung von Alice Springs“ bezeichnet wird. Vor 65 Millionen Jahren bildete sich ein breites Tal zwischen Ulutu und Kata Tjuta, dieses wurde mit Flusssanden und Kohleablagerungen verfüllt. In dieser Zeit herrschte ein regnerisches Klima und während der letzten 500.000 Jahre wurde das Klima trockener und ein dünner Sandteppich überlagerte die Sedimentschichten.
Der Uluru besteht im Wesentlichen aus Arkose-Sandstein, einem Gestein, das durch einen hohen Anteil von Feldspat gekennzeichnet ist und in wenigen Partien aus Konglomerat, einem Gestein, das in seinem Bestand größere Körner als Sandstein führt.Das Gestein ist in unverwittertem Zustand grau. Ist es jedoch Verwitterung ausgesetzt, rosten die Eisenanteile rot bis braun aus.
Durch den unterschiedlichen Sonnenstand und die daraus resultierende variierende Widerspiegelung des Sonnenlichts erscheint der Uluru (wie auch die Kata Tjuta) je nach Tageszeit in anderen Farben, die von grau über braun bis orange und rot reichen. Zudem beeinflussen in der Luft enthaltene Partikel wie Dunst oder Staub die Farbwahrnehmung. Der Wechsel zwischen den Farben kann insbesondere während des Sonnenauf- und -unterganges beobachtet werden.
