Le cascate si formano comunemente nel corso superiore di un fiume dove i laghi sfociano in valli di ripide montagne. A causa della loro posizione paesaggistica, molte cascate si formano su bedrock alimentate da una piccola area di contribuzione, quindi possono essere effimere e scorrere solo durante le tempeste di pioggia o durante un significativo scioglimento della neve. Più a valle, più una cascata può essere perenne. Le cascate possono avere una vasta gamma di larghezze e profondità.
Quando il fiume scorre su una roccia resistente, l’erosione avviene lentamente ed è dominata dall’impatto dei sedimenti trasportati dall’acqua sulla roccia, mentre a valle l’erosione avviene più rapidamente. Quando il corso d’acqua aumenta la sua velocità sul bordo della cascata, può strappare materiale dal letto del fiume, se il letto è fratturato o altrimenti più erodibile. I getti idraulici e i salti idraulici alla punta di una cascata possono generare grandi forze per erodere il letto, specialmente quando le forze sono amplificate dai sedimenti trasportati dall’acqua. Le cascate a ferro di cavallo concentrano l’erosione in un punto centrale, migliorando anche il cambiamento del letto del fiume sotto una cascata. Un processo noto come “potholing” coinvolge l’erosione locale di un buco potenzialmente profondo nella roccia del letto a causa di vortici turbolenti che fanno girare le pietre sul letto, trapanandolo. La sabbia e le pietre trasportate dal corso d’acqua aumentano quindi la capacità di erosione. Questo fa sì che la cascata incida più profondamente il letto e si ritiri a monte. Spesso nel tempo, la cascata si ritirerà per formare un canyon o una gola a valle mentre si ritira a monte, e si inciderà più profondamente nella cresta sovrastante. Il tasso di ritiro di una cascata può arrivare a un metro e mezzo all’anno.
Spesso, lo strato di roccia appena sotto il ripiano più resistente sarà di un tipo più morbido, il che significa che qui si verificherà un sottosquadro dovuto a spruzzi per formare una formazione poco profonda simile a una grotta, nota come rifugio di roccia sotto e dietro la cascata. Alla fine, la roccia di copertura affiorante e più resistente collasserà sotto pressione per aggiungere blocchi di roccia alla base della cascata. Questi blocchi di roccia vengono poi frantumati in massi più piccoli per attrito quando si scontrano tra loro, ed erodono anche la base della cascata per abrasione, creando una profonda piscina di tuffo nella gola a valle.
I torrenti possono diventare più larghi e meno profondi appena sopra le cascate a causa dello scorrimento sul ripiano di roccia, e di solito c’è una zona profonda appena sotto la cascata a causa dell’energia cinetica dell’acqua che colpisce il fondo. Tuttavia, uno studio sulla sistematica delle cascate ha riportato che le cascate possono essere più larghe o più strette sopra o sotto una cascata, quindi quasi tutto è possibile dato il giusto ambiente geologico e idrologico. Le cascate normalmente si formano in una zona rocciosa a causa dell’erosione. Dopo un lungo periodo di formazione, l’acqua che cade dalla sporgenza si ritira, causando una fossa orizzontale parallela alla parete della cascata. Alla fine, quando la fossa diventa più profonda, la cascata crolla per essere sostituita da un tratto di letto del fiume in forte pendenza. Oltre ai processi graduali come l’erosione, i movimenti della terra causati da terremoti, frane o vulcani possono causare un differenziale nelle altezze del terreno che interferisce con il corso naturale di un flusso d’acqua, e provocare cascate.
Un fiume a volte scorre sopra un grande gradino nella roccia che può essere stato formato da una faglia. Le cascate possono verificarsi lungo il bordo di un trogolo glaciale, dove un torrente o un fiume che scorre in un ghiacciaio continua a scorrere in una valle dopo che il ghiacciaio si è ritirato o sciolto. Le grandi cascate nella Yosemite Valley sono esempi di questo fenomeno, che viene definito una valle sospesa. Un’altra ragione per cui si possono formare valli sospese è quando due fiumi si uniscono e uno scorre più velocemente dell’altro.
Le cascate possono essere raggruppate in dieci grandi classi in base al volume medio di acqua presente sulla caduta (che dipende sia dalla portata media della cascata che dalla sua altezza) usando una scala logaritmica. Le cascate di classe 10 includono le cascate del Niagara, le cascate di Paulo Afonso e le cascate del Khone.
Le classi di altre cascate ben note includono le cascate Victoria e le cascate Kaieteur (classe 9); le cascate del Reno e Gullfoss (classe 8); le cascate Angel e Dettifoss (classe 7); le cascate Yosemite, Lower Yellowstone Falls e Umphang Thee Lor Sue Waterfall (classe 6); e le cascate Sutherland (classe 5).