Heybeliada, İstanbul’un diğer adaları ve Anadolu yakasındaki tepeleri gibi Paleozoyik’de (Birinci Zaman) kara ve denizlerde sedimenter kayalardan yapılmıştır. Adanın jeolojisi hakkında bilgilerimizi Fakültemizin eski hocalarından İhsan Ketin’in 1953 senesinde yayınladığı bir makaleye borçluyuz (Ketin,1953).
Heybeliada, denizden yüksekliği 130 metreye varan üç tepeden oluşmaktadır. Bunlar kuzeyden güneye Ümit, Değirmen ve Mandıra tepeleridir. Ümit ve Mandıra tepeleri arkoz serisi olarak bilinen pembe beyaz kumtaşı ve seyrek konglomeradan yapılmıştır. Değirmentepe’de bu kumtaşlarının yanısıra, kuvarsitler de yer alır. Kumtaşı ve kuvarsitlerde tabaka eğimleri genellikle kuzeybatıya doğrudur ve istif bu yöne doğru gençleşir. Kumtaşı, konglomera ve kuvarsitler Paleozoyik ikinci devri olan Ordovisyen’de, günümüzden yaklaşık 450-500 milyon yıl önce, nehir yataklarında ve plajlarda çökelmiştir. Kumtaşı ve kuvarsitlerde yer yer gözlenen çapraz tabakalanma, bu kayaların sığ bir denizde veya nehir yatağında çöekldiğine işaret eder.
Değirmentepe ile Mandıra arasındaki sınırda kuzey-kuzeybatı gidişli bir fay boyunca bakır cevherleşmesi meydana gelmiştir. Heybeliada’nın Rumca ismi olan Halki, eskiden işletilmekte olan bakırdan gelmektedir. Ufak ölçekte bir demir cevherleşmesi ise eskiden Değirmen Burnunda izlenebilmekteydi. Değirmentepe ile Ümit tepe arasındak, düzlük alan, ve çam limanının batısındaki düzlük kesimi alüvyon tabir edilen, jeolojik olarak yakın zamanda (son birkaç senede) oluşmuş kum, mil ve çakıldan yapılmıştır.