火焰山的形成是由距今約1.7億年前的砂粒和泥土堆積而成的。那時氣候異常炎熱,堆積的砂石泥土中的鐵元素經過高溫氧化,形成了大量紅色的氧化鐵。後來隨著地殼運動抬升成山,兀然崛起在深凹的吐魯番盆地中,構成了火紅底色的火焰山山體。