Urmiasjøen ligger i en graben som er skapt av tektonisk aktivitet. Sjøen ligger nær grensene mellom de eurasiske, anatoliske og arabiske kontinentalplatene. Bergartene i området har en alder som varierer fra prekambrisk til svært unge sedimenter i innsjøen. Bunnen av innsjøen og de fleste øyene består av kalkstein fra kritt, mergel fra miocen og yngre sedimenter. Ingen sedimenter finnes høyere enn fem meter over dagens nivå på innsjøen, noe som tyder på at den aldri har vært mye større.