Umbes 550455 miljonit aastat tagasi tabas tänast Kirde-Hiiumaad [[Kärdla kraater|meteoriit]]. Kokkupõrke tulemusel kujunes [[rõngassaar]], mille keskmes asus umbes 63,5 kilomeetrise pindalaga [[laguun]]. Viimasel [[Weichseli jäätumine|jääajal]] vajutas mandrijää oma raskusega Hiiumaa ala allapoole. Jääaja lõppedes ujutas liustike sulamise vesi tänase Hiiumaa ala üle.
Hiiumaa hakkas [[Läänemeri|Läänemerest]] kerkima enam kui 1510 000 aastat tagasi. Kõigepealt kerkisid üle merepinna Kõpu mäed, kus on ka [[Lääne-Eesti]] kõrgeim punkt. Tänapäeval kerkib kerkib maapind saarel umbes 2,95 millimeetrit aastas, mis on kõrgeim näitaja Eestis.<ref name="dn27l" />
[[Aluskord]] koosneb tugevasti kurdunud kristalsetest kivimitest, mis avanevad umbes 2250 meetri sügavusel. [[Pealiskord]] koosneb settelise tekkega kivimitest. [[Paekivi]]st pealiskord tõuseb üle merepinna üksikutes kohtades, eriti hästi on pealiskorda näha [[Vahtrepa]], [[Aruküla]] ja [[Sarve]] ümbruses. [[Pinnakate]] asub pealiskorra paekividel ning koosneb kobedatest [[sete]]test. Ida-Hiiumaa [[loopealne|loopealsel]] on pinnakate ainult 30 sentimeetrit, [[Kõpu poolsaar]]el võib see küündida aga kuni 80 meetrini. Kolm neljandiku saarest on liivane.<ref name="DLxzf" />
Üle poole saare pindalast on kaetud metsa ja põõsastikega. Umbes 7% moodustavad saare keskosas asuvad ulatuslikud soostikud. Seal asuvad ka kolm [[Tihu järved|Tihu järve]], millest suurim on [[Tihu järv|Suurjärv]]. Seega on põllumajanduslikke maid ja asulaid alla 20% saare pindalast.
