Sand entsteht durch die physikalische und chemische Verwitterung anderer Gesteine. Ursprüngliches Ausgangsmaterial sind magmatische und metamorphe Gesteine (z. B. Granit), aus denen typischerweise die Kristalle der mineralischen Bestandteile herausgelöst werden.

Durch die Schwerkraft, durch Wind und Wasser werden die Körner transportiert und dabei sowohl durchmischt als auch sortiert. Da die der Verwitterung und der Abnutzung beim Transport ausgesetzte Oberfläche stark vergrößert ist, können deren Kräfte jetzt besser ansetzen, so dass sich auch die Mineralzusammensetzung des Sandes und die Form der Körner vergleichsweise rasch ändern. So entstehen aus größeren Körnern kleinere, indem sie entlang der Kristallgrenzflächen gespalten oder durch Zusammenstöße der Körner untereinander kleinere Körner herausgebrochen werden. Einige Mineralien (vor allem mafische Minerale) werden unter Witterungseinfluss schnell chemisch umgewandelt und abgebaut, so dass ihr Anteil an der Gesamtmenge des Sandes deutlich abnimmt.

Durch mechanische Einflüsse beim Transport ändert sich die Form der Einzelkörner; generell werden Ecken und Kanten um so mehr gerundet und abgeschliffen, je länger der Transportweg ist. Dies ist allerdings kein linearer Prozess: Je runder und kleiner die Körner werden, um so widerstandsfähiger sind sie gegen weitere Veränderungen. Untersuchungen ergaben, dass häufig ein Transportweg von Tausenden von Kilometern nötig ist, um Sandkörner mittlerer Größe auch nur mäßig zu verrunden.

Beim Transport entlang von Flussläufen können diese Weglängen nur selten erreicht werden, und auch die stetigen Bewegungen in der Brandungszone eines Strandes reichen in den meisten Fällen nicht aus, um die Rundung von Sandkörnern zu erklären, besonders, wenn der Sand hauptsächlich aus widerstandsfähigem Quarz besteht. Der weitaus größte Teil des auf der Erde vorkommenden Sandes stammt daher aus Sandsteinen und hat somit schon mehrere Erosionszyklen hinter sich: Sand wird abgelagert (sedimentiert), überdeckt durch andere Sedimente, verfestigt sich, und die Körner werden durch Bindemittel miteinander verkittet (Diagenese). Wenn die Gesteine nach einer tektonischen Hebung wieder der Erosion ausgesetzt sind, werden die Einzelkörner freipräpariert und beim folgenden Transport wieder ein wenig weiter abgerundet, und es schließt sich ein weiterer Zyklus an. Selbst wenn man eine Zyklusdauer von 200 Millionen Jahren annimmt, so kann ein heutiges, gut gerundetes Quarz-Sandkorn durchaus zehn Erosionszyklen und damit fast die halbe Erdgeschichte durchlaufen haben.

Als Sonderfall ist Sand zu sehen, der aus den Ãœberresten abgestorbener Lebewesen gebildet wurde, z. B. Muscheln oder Korallen. In geologischen Zeiträumen betrachtet, ist dieser Sand sehr kurzlebig, da die Einzelkörner während der Diagenese normalerweise so stark verändert werden, dass sie nach einer erneuten Heraushebung und Erosion nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form in Erscheinung treten können.

Die mineralische Zusammensetzung von Sand kann je nach Ort sehr stark variieren. Der Großteil der Sandvorkommen besteht allerdings aus Quarz (Siliciumdioxid SiO2), denn er ist nicht nur häufig, sondern auf Grund seiner Härte (7 auf der 10-stufigen Mohs'schen Härteskala) und seiner chemischen Widerständigkeit besonders verwitterungsbeständig.

Es sind aber auch andere Sandtypen möglich. Zum Beispiel besteht der feine, weiße Sand am Strand von Koralleninseln aus zermahlenen Korallenskeletten, und damit überwiegend aus Calciumcarbonat (CaCO3). Bekannt ist auch der grüne Sand von den Stränden Hawaiis, der seine Farbe durch das vulkanogene Olivin erhält. Feinkörnig verwitterter Basalt sorgt für schwarzen Sand, der vor allem aus mafischen Mineralen besteht. Nach der Zusammensetzung des Sandes unterscheidet man beispielsweise: