I Fastlandstiden for ca. 10.000 år siden var Omø landfast med det øvrige Danmark og ragede op i landskabet som en del af et bakkelandskab fra sidste istid. Området blev for 7.000 år siden overskyllet af Littorinahavet (Stenalderhavet), og Omøområdet bestod nu af to øer samt en lav banke, der i dag udgør Langelandsøre med Omø Fyr. Havet eroderede med tiden store dele af de to øers flanker og dannede klinter, der i dag fremtræder som stejle skrænter langs øens to bakkeknuder.
Bølgestrømme transporterede det eroderede materiale langs kysten og aflejrede det mellem øerne som strandvoldssystemer, der lukkede sundet mellem øerne, så den nuværende ø opstod. Omø Sø udgør i dag den sidste rest af det tidligere sund. På den nordøstlige del af Omø ligger klinten Skovklint, der indeholder aflejringer fra sidste istid. Aflejringerne viser, at Omø har været dækket af Nordøstisen og derefter af den Østjyske Is og Bælthavisen, der dannede Omøs to oprindelige øer.
Revspids i nordenden af Omø er en retodde, der er vokset ud i forlængelse af et lille vinkelforland, mens Ørespids i syd er et lille marint forland med strandvolde. Den øst- og nordvesteksponerede kyst mod nord er en klintkyst under erosion.
