Les chutes d’eau se forment généralement dans le cours supérieur d’une rivière, là où les lacs se jettent dans les vallées des montagnes escarpées. En raison de leur position dans le paysage, de nombreuses chutes d’eau se produisent au-dessus de la roche-mère alimentée par peu de surface contributive, de sorte qu’elles peuvent être éphémères et ne couler que pendant les tempêtes de pluie ou la fonte importante des neiges. Plus on se trouve en aval, plus une chute d’eau peut être pérenne. Les chutes d’eau peuvent avoir une large gamme de largeurs et de profondeurs.
Lorsque le fleuve coule sur un substrat rocheux résistant, l’érosion se produit lentement et est dominée par les impacts des sédiments transportés par l’eau sur la roche, tandis qu’en aval, l’érosion se produit plus rapidement. Lorsque le cours d’eau augmente sa vitesse au bord de la chute, il peut arracher des matériaux du lit de la rivière, si le lit est fracturé ou autrement plus érodable. Les jets et les sauts hydrauliques au pied d’une chute peuvent générer des forces importantes pour éroder le lit, surtout lorsque les forces sont amplifiées par les sédiments transportés par l’eau. Les chutes en forme de fer à cheval concentrent l’érosion en un point central, ce qui favorise également la modification du lit de la rivière en aval des chutes. Un processus connu sous le nom de « spéléologie » implique l’érosion locale d’un trou potentiellement profond dans la roche en raison des tourbillons turbulents qui font tourner les pierres sur le lit, le forant ainsi. Le sable et les pierres transportés par le cours d’eau augmentent donc la capacité d’érosion. La cascade s’enfonce alors plus profondément dans le lit et recule en amont. Souvent, au fil du temps, la chute d’eau se retire pour former un canyon ou une gorge en aval alors qu’elle recule en amont, et elle creuse plus profondément la crête qui la surplombe. Le taux de recul d’une chute d’eau peut atteindre un mètre et demi par an.
Souvent, la strate rocheuse située juste en dessous du plateau plus résistant sera de type plus tendre, ce qui signifie qu’un affaissement dû aux éclaboussures se produira ici pour former une formation peu profonde ressemblant à une grotte, connue sous le nom d’abri sous roche et derrière la chute d’eau. Finalement, la roche de couverture plus résistante qui affleure s’effondre sous la pression pour ajouter des blocs de roche à la base de la cascade. Ces blocs de roche sont ensuite brisés en plus petits blocs par attrition lorsqu’ils se heurtent les uns aux autres, et ils érodent également la base de la cascade par abrasion, créant ainsi un profond bassin de plongée dans la gorge en aval.
Les cours d’eau peuvent devenir plus larges et moins profonds juste au-dessus des cascades en raison de leur écoulement sur l’abri rocheux, et il y a généralement une zone profonde juste en dessous de la cascade en raison de l’énergie cinétique de l’eau qui frappe le fond. Toutefois, une étude sur la systématique des chutes d’eau a révélé que les chutes d’eau peuvent être plus larges ou plus étroites en amont ou en aval d’une chute, de sorte que presque tout est possible dans un contexte géologique et hydrologique approprié. Les chutes d’eau se forment normalement dans une zone rocheuse en raison de l’érosion. Après une longue période de formation complète, l’eau tombant de la corniche se retire, créant une fosse horizontale parallèle à la paroi de la cascade. Finalement, à mesure que la fosse s’approfondit, la chute d’eau s’effondre pour être remplacée par un tronçon de lit de rivière en pente raide. En plus des processus graduels tels que l’érosion, les mouvements de la terre causés par des tremblements de terre ou des glissements de terrain ou des volcans peuvent provoquer un différentiel de hauteur des terrains qui interfèrent avec le cours naturel d’un écoulement d’eau, et donner lieu à des chutes d’eau.
Une rivière coule parfois sur une grande marche dans les roches qui peut avoir été formée par une ligne de faille. Des chutes d’eau peuvent se produire le long du bord d’une cuvette glaciaire, où un ruisseau ou une rivière qui se jette dans un glacier continue de s’écouler dans une vallée après le recul ou la fonte du glacier. Les grandes chutes d’eau de la vallée de Yosemite sont des exemples de ce phénomène, que l’on appelle une vallée suspendue. Une autre raison pour laquelle des vallées suspendues peuvent se former est lorsque deux rivières se rejoignent et que l’une coule plus vite que l’autre.
Les chutes d’eau peuvent être regroupées en dix grandes classes en fonction du volume d’eau moyen présent sur la chute (qui dépend à la fois du débit moyen de la chute et de sa hauteur) en utilisant une échelle logarithmique. Les chutes d’eau de classe 10 comprennent les chutes du Niagara, les chutes Paulo Afonso et les chutes Khone.
Les classes d’autres chutes d’eau bien connues comprennent les chutes Victoria et les chutes Kaieteur (classe 9) ; les chutes du Rhin et Gullfoss (classe 8) ; les chutes Angel et Dettifoss (classe 7) ; les chutes Yosemite, les chutes Lower Yellowstone et la chute Umphang Thee Lor Sue (classe 6) ; et les chutes Sutherland (classe 5).
Les chutes d’eau sont classées en fonction de leur volume moyen.