Озеро Тоба находится в центре северной части острова Суматра в провинции Северная Суматра, в пределах горного хребта Барисан. Эта горная система является главной на острове и состоит в основном из каменноугольно-пермских метаморфических пород, миоценовых осадочных пород и четвертичных магматических пород. Само озеро и район возле него являются огромной кальдерой размерами 100 × 30 км, что делает её одной из крупнейших в мире. Кальдера Тоба расположена вблизи , который проходит по центру острова Суматра в 20 км юго-западнее озера. Кальдера является одним из вулканических комплексов Зондской островной дуги, сейсмически активного региона Земли, где происходит погружение Индо-Австралийской плиты под Евразийскую со скоростью 56 мм в год. Зона субдукции в этой области очень активна: на морском дне к западу от Суматры с 1995 года произошло несколько крупных землетрясений, таких как землетрясение в Индийском океане в 2004 году магнитудой 9,1 и магнитудой 8,6. Эпицентры этих землетрясений находились примерно в 300 км от Тобы. Рельеф области Тоба характеризуется большим поднятием со средними высотами порядка 1500 метров и поперечными размерами 220 × 100 км, а также многочисленными свидетельствами недавней вулканической активности, такими как шлаковые конусы.