Rừng hóa đá được biết đến với các cây hóa thạch của nó, đặc biệt là cây đổ đã sống vào cuối kỷ Triat, khoảng 225 triệu năm trước. Các trầm tích có chứa các khúc gỗ hóa thạch là một phần kiến tạo Chinle, phổ biến rộng rãi và đầy màu sắc, mà từ đó các Painted Desert (sa mạc hội họa) được đặt tên. Bắt đầu từ khoảng 60 triệu năm trước đây, cao nguyên Colorado, trong đó vườn quốc gia này, đã được đẩy lên do lực kiến tạo mảng và tiếp xúc xói mòn tăng lên. Tất cả các lớp đất đá của vườn quốc gia trên Chinle, ngoại trừ những lớp địa chất gần đây được tìm thấy trong các bộ phận của vườn quốc gia đã bị loại bỏ bởi sức gió và nước. Ngoài các khúc gỗ hóa thạch, hóa thạch được tìm thấy trong vườn quốc gia này cũng gồm có dương xỉ Trias muộn, Cycadophyta, ginkgo, và nhiều loại thực vật cũng như các động vật bò sát khổng lồ được gọi là phytosaur, động vật lưỡng cư lớn, và khủng long thời kỳ đầu. Các nhà cổ sinh vật học đã tiến hành khai quật và nghiên cứu hóa thạch của vườn quốc gia này kể từ đầu thế kỷ 20.
Những người định cư sớm sớm nhất ở khu vực này đã đến cách đây ít nhất là 8.000 năm trước. Khoảng 2.000 năm trước đây, họ đã trồng ngô trong khu vực và ngay sau đó đã xây dựng nhà ở trong các hang ở khu vực nay là vườn quốc gia. Các cư dân đến sau đã xây dựng trên nhà mặt đất gọi là các pueblo. Mặc dù biến đổi khí hậu đã khiến các pueblo bị bỏ hoang vào khoảng năm 1400, hơn 600 địa điểm khảo cổ, bao gồm các bản khắc đá, đã được phát hiện trong vườn quốc gia này. Trong thế kỷ 16, các nhà thám hiểm Tây Ban Nha đến thăm khu vực, và giữa thế kỷ 19, một đội khảo sát Hoa Kỳ đã tiến hành khảo sát một tuyến đường Đông-Tây thông qua khu vực vườn quốc gia và đã nhận thấy các khúc gỗ hóa thạch. Sau đó, đường bộ và đường sắt theo tuyến đường tương tự và đã dẫn đến gia tăng hoạt động du lịch, và trước khi khu vực này được bảo vệ. Nạn trộm cắp gỗ hóa thách vẫn còn là một vấn đề trong thế kỷ 21.