Το νησί Σαμοθράκη ανήκει γεωλογικά στην Περιροδοπική ζώνη.

Το μείζον τμήμα της νήσου δομείται γεωλογικά από δύο συστήματα εκρηξιγενών πετρωμάτων: α./ Βασικά και υπερβασικά πετρώματα (οφιόλιθοι, σερπεντινιωμένοι περιδοτίτες και διαβάσεις). β./ Πλουτώνια πετρώματα (γρανίτες, γρανοδιορίτες) που καλύπτουν κυρίως το νότιο τμήμα της νήσου και είναι εγκιβωτισμένα στο σύστημα των βασικών και υπερβασικών πετρωμάτων. Έχουν χρονολογηθεί πλουτώνια κρητιδικής ηλικίας, έως 110 εκ. χρόνων.

Βόρεια και Ανατολικά, καθώς επίσης Νότια και Δυτικά, και μέχρι τις ακτές, σε επαφή με το σύστημα των εκρηξιγενών πετρωμάτων, έχουμε την παρουσία τεταρτογενών χαλαρών εδαφικών σχηματισμών (ιλύες, άργιλοι και πηλοί), με μικρό ποσοστό στην εδαφική μάζα, ψηφίδων και χαλίκων. Τα ιζήματα αυτά παρουσιάζουν ασθενή συνεκτικότητα και χαμηλή έως μέτρια, κατά θέσεις, υδροπερατότητα.

Στην περιοχή της Παλιάπολης υπάρχουν ηφαιστειακά πετρώματα. Στην περιοχή της Χώρας, Λακκώματος και Καμαριώτισσας εμφανίζονται νεογενείς εδαφικές αποθέσεις, θαλάσσιας προέλευσης και κυμαινόμενου πάχους.