Geologisch besteht die Insel aus Schiefer, Kreidekalk und Tertiärschichten, mit mehrere Meter dicken Lagen quartären vulkanischen Tuffs. Dabei unterscheidet man die Insel in einen östlichen, einen zentralen und einen westlichen Teil. Insbesondere der westliche Teil ist stark von vulkanischer Aktivität gekennzeichnet, denn sie liegt in einer entsprechenden Zone, auch wenn die Insel selbst nicht vulkanischen Ursprungs ist. Im Westen finden sich dementsprechend vulkanische Mineralien, im Süden heiße Quellen. Der Osten ist von Bergen, Hügeln und der Küstenebene geprägt, wobei die Gebirgszone eine West-Ost-Orientierung aufweist. Höchster Berg ist der Dikaios mit 847 m. Die meisten der heißen Quellen befinden sich im südlichen und zentralen Teil des Massivs. Die hügeligen Gebiete erheben sich 200 bis 300 m über dem Meeresspiegel. Die zentrale Region wird von einem Plateau dominiert, das im Zentrum und im Norden aus Tuff besteht. Im Süden erstreckt sich die Ebene von Halasarna. Ihre Charakteristika gehen auf eine Vulkaneruption vor 160.000 bis 145.000 Jahren zurück. Deren Asche bedeckt ein Gebiet von 5000 km². Die vulkanische Asche erstreckt sich von Kalymnos über Tilos, Chalki und die Halikarnassos-Halbinsel und formt ein 100 m hohes Tuffplateau im Gebiet von Antimachia. Insgesamt ist die Insel hügelig, relativ flach und bietet ausreichend Süßwasser, womit sie gut für Land- und Viehwirtschaft geeignet ist.