火焰山的形成是由距今约1.7亿年前的砂粒和泥土堆积而成的。那时气候异常炎热，堆积的砂石泥土中的铁元素经过高温氧化，形成了大量红色的氧化铁。

后来随着地壳运动抬升成山，兀然崛起在深凹的吐鲁番盆地中，构成了火红底色的火焰山山体。