Le bois pétrifié est formé de bois fossilisé dans lequel la matière organique a été remplacée par des minéraux, principalement des silicates tels que le quartz, ainsi que de la pyrite, entre autres, tout en préservant en partie la structure anatomique originale du bois. Ce processus de pétrification se déroule lorsque le bois est enfoui sous des sédiments, préservé initialement par un manque d'oxygène, puis imprégné progressivement par une eau minéralisée circulant dans le sédiment. La cristallisation des minéraux se produit ensuite de différentes manières. La transformation en bois pétrifié peut se produire en moins de cent ans, bien que parfois ce processus puisse prendre beaucoup plus de temps, incluant des phases de recristallisation. Les couleurs observées dans le bois pétrifié sont le résultat des composants chimiques transportés par l'eau lors du processus de pétrification, plutôt que de l'essence de l'arbre. La complexité des motifs de couleur est due au degré de porosité du bois au moment de l'imprégnation par les différentes substances colorantes. Des nuances subtiles peuvent être observées au sein d'un même spécimen, résultant du mélange de deux ou plusieurs composants. Divers composants chimiques produisent des couleurs distinctes, telles que l'hématite pour le rouge et le rose, la goethite pour le jaune, le marron et l'orange, le chrome pour le vert clair, le fer natif pour le vert, la silice pure pour le blanc, le carbone organique ou la pyrite pour le noir, et le dioxyde de manganèse pour le violet et le bleu. La présence et l'oxydation du fer peuvent engendrer une variété de couleurs arc-en-ciel.