Dolina Chochołowska zbudowana jest z dwóch głównych rodzajów skał. Część południową (górną), powyżej Wyżniej Bramy Chochołowskiej budują skały krystaliczne – gnejsy i granity. Część północną (dolną) budują skały osadowe – łupki, wapienie kredowe i dolomity triasowe. Różne jest też pochodzenie geologiczne tych części doliny. W górnej części, powyżej Wyżniej Bramy Chochołowskiej dominują formy geologiczne wytworzone przez lodowiec, w części dolnej, gdzie nie sięgał lodowiec, powierzchnia modelowana była głównie przez Chochołowski Potok i zjawiska krasowe. Efektem tych zjawisk krasowych są również liczne jaskinie z największą Szczeliną Chochołowską na czele, jednak żadna z nich nie nadaje się do udostępnienia turystycznego.
Historia Nazwę swą dolina zawdzięcza oddalonej o kilkanaście kilometrów wsi Chochołów. Wieś ta już w XVI wieku zajmowała obszar Tatr pomiędzy Wołowcem a Bobrowcem (bardziej użyteczne dla rolnictwa i pasterstwa obszary doliny już wcześniej zostały przydzielone nadaniami królewskimi innym wsiom starszym od Chochołowa). Dzięki występowaniu w dolinie dużej powierzchni polan i hal, stała się ona największym ośrodkiem pasterstwa w Tatrach. W 1930 r. 70 juhasów wypasało na niej ok. 4000 owiec, ponadto 280 pastuchów wypasało bydło. Ogromna też była liczba szałasów, bacówek i szop.