Queste isole sono l'avamposto settentrionale dell'orogenesi caledoniana e vi sono affioramenti di rocce metamorfiche Lewisiane, Daldariane e di Moine, con storie simili alle loro equivalenti della terraferma scozzese.
Vi sono anche depositi di Old Red Sandstone e instrusioni granitiche; le caratteristiche più distintive sono rappresentate dall'ofiolite basica, peridotite e gabbro su Unst e Fetlar, che costituiscono i resti dell'Oceano Giapeto.
Gran parte dell'economia delle Shetland dipende dai sedimenti ricchi di petrolio nei mari circostanti.
Nell'era post-glaciale, circa nel 8150 avanti Cristo, le isole furono colpite da tsunami alti fino a 20 metri causati dalla frana di Storegga, un'immensa valanga sottomarina al largo delle coste norvegesi.