Ayers Rock, eller Uluru, som den i dag bliver kaldt, har en kompleks geologisk historie. Tidligere blev Uluru betragtet som verdens største fritstående sten, men det har vist sig, at den faktisk er forankret op til seks kilometer nede under jordoverfladen.
For omkring 550 millioner år siden lå en bjergkæde af granit, Petermann Ranges, vest for den nuværende Uluru. Petermann Ranges eroderede langsomt, og vand førte store mængder sediment, primært sand, mod øst. Sedimenterne nåede til sidst en tykkelse på flere kilometer. For omkring 500 millioner år siden blev området oversvømmet af hav. Med tiden pressede havsedimenter sandet fra Petermann Ranges sammen til en type sandsten, som kaldes arkose.
Havet forsvandt dog efterhånden, og samtidig foldede og roterede stærke geologiske kræfter sandstenen, så det geologiske lag, der i dag udgør Uluru, kom til at stå på højkant. Med tiden har vind og vejr fjernet lag på lag af landskabet. Men da sandstenen, som senere blev til Uluru, var massiv og sprækkefri, eroderede den ikke lige så hurtigt og stikker derfor op.
I dag rejser Uluru sig 348 meter over sandet i Simpsonørkenen. Set ovenfra er den oprindelige 550 millioner år gamle geologiske lagdeling tydelig. Lagdelingen fremhæves yderligere af, at regnen løber langs de dybe furer og udhuler dem.