ทะเลสาบโตบาอยู่ใกล้รอยเลื่อนใหญ่สุมาตราที่ทอดตัวในใจกลางเกาะสุมาตราในแนวรอยแตกสุมาตรา ภูเขาไฟบนเกาะสุมาตราและชวาเป็นส่วนหนึ่งของหมู่เกาะภูเขาไฟซุนดาที่ก่อตัวขึ้นเมื่อแผ่นเปลือกโลกอินเดีย-ออสเตรเลียเคลื่อนที่ไปทางตะวันออกเฉียงเหนือจนมุดตัวลงข้างใต้แผ่นเปลือกโลกยูเรเชียที่เคลื่อนที่ไปทางตะวันออก เขตมุดตัวในพื้นที่นี้มีความเคลื่อนไหวมาก โดยก้นทะเลใกล้ชายฝั่งด้านทิศตะวันตกของเกาะสุมาตราเกิดแผ่นดินไหวครั้งใหญ่หลายครั้งตั้งแต่ พ.ศ. 2538 รวมถึงแผ่นดินไหวในมหาสมุทรอินเดีย พ.ศ. 2547 ขนาดแมกนิจูด 9.1 และแผ่นดินไหวบนเกาะสุมาตรา พ.ศ. 2548 ขนาดแมกนิจูด 8.7 ซึ่งทั้งสองครั้งมีจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหวอยู่ห่างจากทะเลสาบโตบาประมาณ 300 กิโลเมตร