Wybitny wpływ na rzeźbę górnej części doliny wywarły plejstoceńskie lodowce. Lodowiec Doliny Tomanowej miał długość 3,6 km, lodowiec Doliny Pysznej 4,8 km. Ich szerokość dochodziła do 300 m, a miąższość do 170 m. Połączone lodowce swoim jęzorem lodowcowym sięgały do Bramy Raptawickiej. Wytworem ich działalności jest erozja terenu oraz moreny denne, boczne i czołowe, stożki glacifluwialne, misy wytopiskowe po bryłach martwego lodu (w jednej z takich mis powstał Smreczyński Staw). Również w górnej części Doliny Miętusiej był lodowiec. Jego jęzor sięgał do przewężenia doliny poniżej Zawiesistej Turni, a u góry po lodowcu pozostały dwie doliny zawieszone (Litworowa i Mułowa).
W kształtowaniu środkowej i dolnej części doliny główny udział miał płynący jej dnem Kościeliski Potok oraz płynące szczelinami we wnętrzu skał wody podziemne. Efektem ich działalności są skały o fantastycznych kształtach, strome ściany i liczne jaskinie, a także rozległe rozszerzenia, jak Polana Pisana, Stare Kościeliska, Wyżnia Kira Miętusia.