Les Cyclades font partie d'une zone du complexe métamorphique connu sous le nom de « massif Cycladien », formé du Trias supérieur (avec des phyllites) au Tertiaire (avec des calcaires coralliens) et qui fut plissé et métamorphisé lors de l'orogenèse alpine, il y a une soixantaine de millions d'années. Théra repose sur petit socle non volcanique, fragment de l'île non volcanique primitive qui faisait approximativement neuf kilomètres de longueur sur six de largeur. Les roches de ce socle sont principalement constituées de calcaires métamorphisés (marbres) et de schistes datant de l'orogenèse alpine. Elles affleurent au sud-est de Théra, et dans le mur de la caldeira près d'Athinios; au niveau de Profitis Ilias, Mesa Vouno, Gavrillos, Pyrgos, Monolithos ainsi que sur les parois internes de la caldeira entre le cap Plaka et Athinios.