På Samsø ligger de prækvartære aflejringer, dvs. de aflejringer, som er ældre end 2,6 mio. år, i dybder på ca. 30‑50 m. Mod øst består de af glaukonitholdigt sand, som overlejres af kalkholdigt ler. Begge lag blev aflejret i havet på ca. 100 m’s dybde i Paleocæn. Mod vest består de prækvartære aflejringer af rødt og grønt, plastisk ler, som blev aflejret i havet på ca. 500 m’s dybde i Eocæn.
Over de prækvartære lag findes aflejringer fra istiden. Fra Stavns Fjord og sydpå består istidslagene overvejende af smeltevandssand og -grus, der overlejres af op til 30 m tykke lag af moræneler. Nordpå er moræneleret derimod kun få meter tykt. I den 20‑25 m høje kystklint mellem Issehoved og Møgelskår kan man se, at moræneleret er aflejret af 3‑4 isfremstød, som under sidste istid bevægede sig ind over området fra hhv. nord, nordøst og sydøst.
Havaflejringer fra tiden efter sidste istid findes mange steder langs kysten, men især omkring og nord for Stavns Fjord. Ferskvandsaflejringer findes overvejende i de mange mindre lavninger.
Der indvindes grundvand fra lagene af smeltevandssand og -grus.
