波浪谷是在干旱气候条件下，以内陆湖泊相为主的红色碎屑岩沉积地貌，它的形成大致可以分为三个时期：湖相沉积期、上升剥蚀期、景观形成期。

大约在距今6000万年前，波浪谷所处的鄂尔多斯盆地曾湖泊遍布，波浪的层理是砂砾在湖水中沉积所形成，是水流方向、速度、水体深度的直接产物，层理的多样性及叠加规律则是水流动荡变化的反映。

水平层理说明湖水动力变化少、沉积环境稳定，而交错层理是湖水流速快，在河床上快速卸载时形成的。

随着鄂尔多斯盆地的整体抬升，原生沉积的砂体暴露出地表，松散的砂砾开始固结成岩，经历漫长的风化剥蚀作用，结合着黄土高原季节性暴雨对地表的冲刷，形成了这种奇特的地貌景观。