Samos er bygd opp av overveiende metamorfe bergarter, som marmor. I et belte sør–øst i den midtre delen av landet finnes lavere land. Kystsonen veksler mellom klipper og sandstrender. Det er to store fjell, Ampelos og Kerkis (i antikken kalt for Kerketeos). Sammen er de referert til som Karvounis. Ampelos er det største fjellområdet av de to, og er opp til 1095 meter høyt. Fjellmassene i Kerkis er langt mindre, men er likevel høyere, opp til 1434 meter. Geologisk er fjellene en fortsettelse av Mykalefjellkjeden på det tyrkiske fastlandet. De viktigste slettene er Vathi, som ligger i nordøst og Karlovasi i nordvest. Pythagoreio ligger i sørøst og Marathokampos i sørvest.