Berggrunnen består av dypbergarten larvikitt, mens løsmassene er morene-, sand- og leirejord. Tjøme ligger utenfor det store raet som går gjennom Vestfold, men en eldre morene som av naturgeografer kalles Tjøme-Hvaler-trinnet krysser Tjøme og kan sees blant annet i Moutmarka og på Sandø. Tidligere kaltes denne morenen Tjøme-raet. I strandkanten er det lett å finne fossiler i løsblokker som er transportert av isen.