Milos und seine Nachbarinseln (Kimolos, Polyaigis, Antimilos, Glaronisia u. Akradia Inseln) sind zum größten Teil vulkanischem Ursprungs. An ein paar Stellen (Agia Kyriaki Bucht) gibt es Vorkommen der viel älteren nicht-vulkanischen Grundgesteine, die sich bereits viele Millionen Jahre vor der Entstehung der Insel gebildet hatten. Es handelt sich bei diesen um metamorphe (durch Druck und Temperatur umgewandelte ehm. Ablagerungsgesteine) Gneise und Schiefer. Später und noch vor den ersten Vulkangesteinen lagerten sich Kalksedimente über das Grundgestein.
Mit der Verschiebung der Afrikanischen Platte unter die Ägäische/Europäische Platte gab es starke, tektonische Spannungen in der Erdkruste und erste Vulkane brachen unterseeisch in der Zeit des oberen Pliozäns aus. Langsam baute sich eine Anzahl Vulkane auf, die das erste Land bildeten. Der Vulkanismus zeigte sich in seiner klassischen Formbis etwa vor 90.000 Jahren, als der Vulkan Tsingrado ausbrach und einen bis heute deutlich sichtbaren Kraterring aufbaute. Zahlreiche, kleine phreatische Vulkankrater sind noch heute über die Insel verteilt. Offenbar hat sich das Ausbruchszentrum des Vulkans oft verlagert.

Der Vulkanismus der Insel ähnelt dem der anderen, aktiven Vulkane in Griechenland (Methana, Santorin und Nisyros). Sie alle gehören einer bogenförmigen Zone an, die sich nördlich von Kreta erstreckt (der sogen. "Kykladenbogen"). Der Zusammenstoß der Afrikanischen und Ägäischen Platte erzeugt durch Aufschmelzvorgänge im Mantelgestein unter der Kruste kalkalkalische Magmen und Vulkangesteine wie Andesit, Dazit und Rhyolit.

Bei den zahlreichen Vulkanausbrüchen auf Milos wurden vor allem Glutströme ("pyroklastische Ströme") und Schlammlawinen gebildet. Diese vorwiegend explosive Tätigkeit wurde in der Endphase durch effusive Tätigkeit abgelöst, deren Produkte zähflüssige Lavamassen waren, die Vulkandome bildeten. Teilweise fanden Vulkanausbrüche im Meer oder in der Nähe des Meeres statt, was zur Bildung von zahlreichen kleinen Sprengtrichtern (Maare) führte.
Im Laufe der Zeit wurden viele Vulkangesteine durch heiße, chemische Lösungen verändert, die Mineralien anreicherten. Dadurch wurde die Insel zu einem der wichtigsten Bergbaugebiete in Griechenland. Großflächige Bergwerke bauen Perlit, Bentonit, Baryt, Silber, Kaolin und Quarz ab. Bei Forschungsbohrungen am Gipfel des Chontrovouno wurden interessante Goldvorkommen entdeckt, die in Zukunft abgebaut werden könnten. Die Entdeckung eines hochtemperierten geothermischen Reservoirs unter Milos (bis 310 C!) und sehr aktive, heiße Gasaustritte im Gebiet Kalamos (Fumarolen bis zu 103 C heiß!) zeigen, dass Milos weiterhin zu den aktiven Vulkangebieten zu zählen ist. Zukünftige, neue Eruptionen sind nicht auszuschließen.