Im Pliozän war das Meadow Valley und damit auch die Gegend der heutigen Schlucht von einem See bedeckt. Die farbenfrohe Panaca Formation besteht aus den Ablagerungen und Sedimenten des damaligen Sees. Im Lauf der Zeit versickerte der See, Erosion durch Regen, Wind, Schmelzwasser führten im weichen Schluffstein und den Tonmineralen zu Rinnsalen, Einkerbungen, Auswaschungen und schließlich dem canyonartigen Schluchtverlauf. Dabei blieben kathedralenartige Sandsteinformationen, enge Schluchten und Kamine, Felsnadeln und höhlenartige schmale Gänge übrig.

Nomadisierende Kulturen des alten Amerika nutzten das Tal bereits vor ca. 10.000 Jahren. Die Freemont, Anasazi und Paiute waren hier je nach Jahreszeit zu Jagd unterwegs.

Die Ortschaft Panaca wurde 1864 von Mormonen besiedelt. Die Entdeckung von Silbererz führte 1869 zur Gründung von Bullonville. Einige Überreste der alten Stadt sind heute noch östlich des Hauptzugangs zum Park zu sehen. Der Friedhof von Bullonville ist genau nördlich des Eingangs gelegen.

Während der 1920er Jahre wurde der Park im Rahmen der fortschreitenden Mobilität zu einem beliebten Ziel für Picknickausflüge und kleine Wanderungen.

1924 besuchte der Gouverneur James Graves Scrugham das Gelände und begann mit dem Grunderwerb. 1935 wurde der Cathedral Gorge State Park offizielles Schutzgebiet. Das Civilian Conservation Corps errichtete erste feste Einrichtungen zum Picknicken und Campen, z. B. den Stone Water Tower.

Heutzutage ist der Park ganzjährig rund um die Uhr geöffnet, die Nutzung ist aber einigen Einschränkungen unterworfen, insbesondere ist alles verboten, was die Erosion beschleunigen könnte, wie z. B. Off Road Fahren.