Ayers Rock, eller Uluru, som den kalles nå, har en kompleks geologisk forhistorie. Tidligere ble Uluru ansett for å være verdens største frittstående stein, men det har vist seg at den faktisk er forankret så dypt som 6000 meter nede i grunnen.
For rundt 550 millioner år siden lå det en fjellkjede av granitt, Petermann Ranges, vest for våre dagers Uluru. Denne fjellkjeden eroderte langsomt, og vann førte store mengder sedimenter, hovedsakelig sand, østover. Sedimentene fikk til slutt en tykkelse på flere tusen meter. For cirka 500 millioner år siden ble området oversvømt av et hav.
Med tiden presset havsedimenter sanden fra Petermann Ranges sammen til en slags sandstein som ble kalt arkose. Men havet forsvant etter hvert, og samtidig ble sandsteinen foldet og vridd av sterke geologiske krefter, slik at det geologiske laget som i dag utgjør Uluru, kom til å stå på høykant. Vind og vær har med tiden fjernet lag på lag av landskapet. Men fordi sandsteinen som senere ble til Uluru, var massiv og sprekkfri, eroderte den ikke like raskt og stikker derfor opp.
I dag hever Uluru seg 348 meter over sanden i Simpsonørkenen. Sett ovenfra er den opprinnelige 550 millioner år gamle lagdelingen tydelig å se. Den blir ytterligere fremhevet ved at regnet strømmer ned langs de dype furene og huler dem ut.