Santorini é o centro vulcânico mais ativo no arco vulcânico do sul do mar Egeu, embora o que permaneça até hoje seja principalmente uma caldeira cheia de água. O arco vulcânico tem aproximadamente 500 km de comprimento e de 20 a 40 quilômetros de largura. A região registrou sua primeira atividade vulcânica cerca de 3-4 milhões de anos atrás, apesar de vulcanismo em Tera ter começado cerca de 2 milhões de anos atrás.
A ilha é o local de uma das maiores erupções vulcânicas já registradas na história humana: a erupção minoica (às vezes chamada de erupção de Tera), ocorreu cerca de 3600 anos atrás, no auge da civilização minoica. A erupção deixou uma grande cratera rodeada por depósitos de cinzas vulcânicas a centenas de metros de profundidade e pode ter levado, indiretamente, ao colapso da civilização minoica na ilha de Creta, 110 km ao sul, através da formação de um gigantesco tsunami. Outra teoria popular diz que a erupção de Tera é a fonte da lenda de Atlântida.
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