Pulau Sumatra tersusun atas dua bagian utama, sebelah barat didominasi oleh keberadaan lempeng samudera, sedang sebelah timur didominasi oleh keberadaan lempeng benua. Berdasarkan gaya gravitasi, magnetisme dan seismik ketebalan sekitar 20 kilometer, dan ketebalan lempeng benua sekitar 40 kilometer (Hamilton, 1979).
Sejarah tektoik Pulau Sumatra berhubungan erat dengan dimulainya peristiwa

pertumbukan antara lempeng India-Australia dan Asia Tenggara, sekitar 45,6 juta tahun yang lalu, yang mengakibatkan rangkaian perubahan sistematis dari pergerakan relatif lempeng-lempeng disertai dengan perubahan kecepatan relatif antar lempengnya berikut kegiatan ekstrusi yang terjadi padanya. Gerak lempeng India-Australia yang semula mempunyai kecepatan 86 milimeter/tahun menurun menjaedi 40 milimeter/tahun karena terjadi proses tumbukan tersebut. (Char-shin Liu et al, 1983 dalam Natawidjaja, 1994). Setelah itu kecepatan mengalami kenaikan sampai sekitar 76 milimeter/ tahun (Sieh, 1993 dalam Natawidjaja, 1994). Proses tumbukan ini pada akhirnya mengakibatkan terbentuknya banyak sistem sesar sebelah timur India.

Keadaan Pulau Sumatra menunjukkan bahwa kemiringan penunjaman, punggungan busur muka dan cekungan busur muka telah terfragmentasi akibat proses yang terjadi. Kenyataan menunjukkan bahwa adanya transtensi (trans-tension) Paleosoikum Tektonik Sumatra menjadikan tatanan Tektonik Sumatra menunjukkan adanya tiga bagian pola (Sieh, 2000). Bagian selatan terdiri dari lempeng mikro Sumatra, yang terbentuk sejak 2 juta tahun lalu dengan bentuk geometri dan struktur sederhana, bagian tengah cenderung tidak beraturan dan bagian utara yang tidak selaras dengan pola penunjaman.

a. Bagian Selatan Pulau Sumatra memberikan kenampakan pola tektonik:
1. Sesar Sumatra menunjukkan sebuah pola geser kanan en echelon dan terletak pada 100-135 kilometer di atas penunjaman.
2. Lokasi gunung api umumnya sebelah timur-laut atau di dekat sesar.
3. Cekungan busur muka terbentuk sederhana, dengan ke dalaman 1-2 kilometer dan dihancurkan oleh sesar utama.
4. Punggungan busur muka relatif dekat, terdiri dari antiform tunggal dan berbentuk sederhana.
5. Sesar Mentawai dan homoklin, yang dipisahkan oleh punggungan busur muka dan cekungan busur muka relatif utuh.
6. Sudut kemiringan tunjaman relatif seragam.
b. Bagian Utara Pulau Sumatra memberikan kenampakan pola tektonik:
1. Sesar Sumatra berbentuk tidak beraturan, berada pada posisi 125-140 kilometer dari garis penunjaman.
2. Busur vulkanik berada di sebelah utara sesar Sumatra.
3. Kedalaman cekungan busur muka 1-2 kilometer.
4. Punggungan busur muka secara struktural dan kedalamannya sangat beragam.
5. Homoklin di belahan selatan sepanjang beberapa kilometer sama dengan struktur Mentawai yang berada di sebelah selatannya.
6. Sudut kemiringan penunjaman sangat tajam.
c. Bagian Tengah Pulau Sumatra memberikan kenampakan tektonik:
1. Sepanjang 350 kilometer potongan dari sesar Sumatra menunjukkan posisi memotong arah penunjaman.
2. Busur vulkanik memotong dengan sesar Sumatra.
3. Topografi cekungan busur muka dangkal, sekitar 0.2-0.6 kilometer, dan terbagi-bagi menjadi berapa blok oleh sesar turun miring
4. Busur luar terpecah-pecah.
5. Homoklin yang terletak antara punggungan busur muka dan cekungan busur muka tercabik-cabik.
6. Sudut kemiringan penunjaman beragam.
Sesar Sumatra sangat tersegmentasi. Segmen-segmen sesar sepanjang 1900 kilometer tersebut merupakan upaya mengadopsi tekanan miring antara lempeng Eurasia dan India-Australia dengan arah tumbukan 10°N-7°S. Sedikitnya terdapat 19 bagian dengan panjang masing-masing segmen 60-200 kilometer, yaitu segmen Sunda (6.75°S-5.9°S), segmen Semangko (5.9°S-5.25°S), segmen Kumering (5.3°S-4.35°S), segmen Manna (4.35°S-3.8°S), segmen Musi (3.65°S-3.25°S), segmen Ketaun (3.35°S-2.75°S), segmen Dikit (2.75°S-2.3°S), segmen Siulak (2.25°S-1.7°S), segmen Sulii (1.75°S-1.0°S), segmen Sumani (1.0°S-0.5°S), segmen Sianok (0.7°S-0.1°N), segmen Barumun (0.3°N-1.2°N), segmen Angkola (0.3°N-1.8°N), segmen Toru (1.2°N-2.0°N), segmen Renun (2.0°N-3.55°N), segmen Tnpz (3.2°N-4.4°N), segmen Aceh (4.4°N-5.4°N), segmen Seulimeum (5.0°N-5.9°N).

Tatanan tektonik regional sangat mempengaruhi perkembangan busur Sunda, di bagian barat, pertemuan subduksi antara lempeng Benua Eurasia dan lempeng Samudra Australia mengkontruksikan Busur Sunda sebagai sistem busur tepi kontinen (epi-continent arc) yang relatif stabil; sementara di sebelah timur pertemuan subduksi antara lempeng samudra Australia dan lempeng-lempeng mikro Tersier mengkontruksikan sistem busur Sunda sebagai busur kepulauan (island arc) kepulauan yang lebih labil.
Perbedaan sudut penunjaman antara Propinsi Jawa dan Propinsi Sumatra Selatan Busur Sunda mendorong pada kesimpulan bahwa batas Busur Sunda yang mewakili sistem busur kepulauan dan busur tepi kontinen terletak di Selat Sunda. Penyimpulan tersebut akan menyisakan pertanyaan, karena pola kenampakan anomali gaya berat menunjukkan bahwa pola struktur Jawa bagian barat yang cenderung lebih sesuai dengan pola Sumatra dibanding dengan pola struktur Jawa bagian Timur. Secara vertikal perkembangan struktur masih menyisakan permasalahan namun jika dilakukan pembangungan dengan struktur cekungan Sumatra Selatan, struktur-struktur di Pulau Sumatra secara vertikal berkembang sebagai struktur bunga.

Berdasarkan teori undasi Seksi Andaman dan Nikobar yang pusat undasinya di Margui menghasilkan penggelombangan emigrasi yang mengarah ke Godwanland, sehingga hal tersebut mempegaruhi pegunungan di Sumatra Utara (Atlas dan Gayao) dimana arah pegunungan timur barat seperti Pegunungan Gayo Tengah berbeda dengan pegunungan pada umumnya di Sumatra yang arahnya barat laut–tenggara. Dengan demikian di Sumatra terjadi pertemuan antar gelombang dengan pusat undasi Margui dan pusat undasi Anambas. Titik pertemuannya adalah di Gunung Lembu, adapun busur dalam hasil penggelombangan dari pusat undasi Margui adalah kepulauan Barren-Narkondam dan busur luar Andaman–Nikobar–Gayo Tengah.

Sedangkan Seksi Sumatra dengan pusat undasinya di Anambas, penggelombangan dari pusat undasi Anambas telah berkembang sejak Palaezoikumakhir, Sehingga menghasilkan sisitem Orogene Malaya pada Mesozoikum bawah (Trias, Jura), system Orogene Sumatra pada Mesozoikum atas (Crataceus) dan system orogene Sunda pada priode tersier kuarter, yang dimaksud dengan Orogene Malaya adalah busur pegunungan yang terbentuk pada Mesozoikun bawah dengan busur Zone Karimata dan busur luar Daerah Timah. Yang dimaksud dengan Orogene Sumatra adalah busur pengunungan yang terbentuk pada Mesozoikun atas dengan busur dalam Sumatra Timur dan busur luar Sumatra Barat. Yang dimaksud dengan Orogenesa Sunda adalah busur pengununagn yang terbuntuk periode Tersier-Kuarter dengan busur dalam Bukit Barisan dan busur luar pulau-pulau sebelah barat Sumatra. Bukit Barisan pada Mesozoikum atas masih merupakan Foredeep, memasuki tersier baru mengalami pengangkatan pada priode Tersier pulau-pulau di sebelah barat Sumatra dari Nias sampai Enggano belum ada memasuki periode Kuarter baru mengalami penggkatan membentuk pulau-pulau tadi, sampai sekarang masih mengalami pengakatan secara pelan-pelan.

Sejarah Kejadian Bukit Barisan:
• Mesozoikum Bawah
Bukit barisan masih merupakan Foredeep dari Orogene Malaya, terisi dengan Sendimen marin. Terjadi penyusupan batuan Ophiolith (larva basa/ ultra basal) sebagai mana dapat dijumpai di Pegunungan Garba dan Gumai (Sumatra Selatan)
• Kapur Atas mengalami Penggkatan I
Terjadi intrusi batuan granit dalam batuan sendimen slate masa Mesozoikum. Pegunungan yang terbentuk ini sifatnya masih non vulkanis dan dikenal sebagei Proto Barisan.
• Paleogen ( Oligo-Miosen)
Terjadi penurunan Proto Basin secara pelan-pelan Asthenolith yang terdiri dari materi magma dengan pemasaman sedang sehingga terperas sehingga menyebar ke arah sisi bagian luar. Di Sumatra Selatan penurunan ini disertai dengan aktivitas vulkanisme, menghasikan batuan Andesit Tua.
• Intra Meosen
Mengalami penggkatan II disertai intrusi Batholit mendekati permukaan bumi membentuk vulkan-vulkan andesit tua. Pengkatan masa ini bersifat vulkanis dengan erupsi asam dan sedang. Sebagai kompensasi dari pengkatan ini terbentuk foredeep dan backdeep yang kemudian terisi sedimen. Intrusi magma asam menyebabkan keluarnya larva dasitis yang dapat di jumpai di Bengkulu berupa tuff dasitis (dasit adalah andesit yang kaya dengan kuarsa, butir-butirnya kasar tidak seperti Andesit yang berbutir halus). Reaksi grafitasional terhadap pengangkatan II mengakibatkan pucak Geantiklin Bukit barisan pecah-pecah menghasilkan slenk atau Graben antara Batang Ankola-Batang Toru di Sumatara Utara. Materi sedimen di backdeep di sekitar Palembang, Mangkani, Batak Land mengalami pelipatan.
• Niogen (Mio–Pliosen)
Bukit Barisan mengalami penurunan lagi secara pelan-penan kemudian terisi dengan sedimen.
• Plio-Pleistisen
Bukit Barisan mengalami penggkatan III di mana seharusnya sudah tidak vulkanis namun terjadi pengaktifan kembali vulkanisme. Gaya tarik ke dasar laut yang dalam di sebelah barat menyebabkan retakan-retakan yang memungkinkan magma masuk menyusup lewat retakan tersebut. Akibatnya geantiklin patahan memanjang disekitar slank membentuk Lembah Semangka yang bermula dari Teluk Semangkadi Tenggara sampai Lembah Aceh di Barat Laut.

Erupsi selama periode Pleistosen menghasilkan depresiVvolcano-Tektonik seperti Lembah Suoh dan Danau Ranau di Sumatra Selatan, Danau Maninjau dan Danau Rinjani di Sumatra Tengah, dan Danau Toba di Sumatra Utara. Penggkatan III pada periode Plio-Pleitosen di Sumatra Utara antara Sungai Barumun dan Sungai Wampu menghasilkan bentuk Dome yang dikenal dengan nama Batak Timor.

Di dalam daerah Batak Timur ini terbentuk Danau Toba sebagai hasil Volkano-Tektonik dari erupsi yang dialami Batak Timor. Pengangkatan Batak Timor pada periode Plio-Pleistosen diikuti dengan erupsi hebat dengan ciri nuee-ardente dan hembusan gas yang dahsyat. Tekanan gasnya demikian besar sehingga materi yang dimuntahkan volumenya sekitar 2000 km3, menghasilkan gua di bagian bawah pipa kepundan. Bahan erupsi Batak Timor sampai ke Malaka dalam jarak 300-400 km, di mana tebal abu vulkanik sekitar 5 ft (1,5 m). Aliran lava menutupi daerah seluas 20.000-30.000 km2 yang tebalnya sampai ratusan meter.

Sebagai akibat dari gaya berat atap gua yang terbentuk di bawah pipa kepundan maka atap gua runtuh membentuk depresi yang kemudian terisi air membentuk Danau Toba. Kemudian gaya dari dalam dapur magma mendorong runtuhan tadi sehingga terungkit ke atas dan muncul di permukaan danau sebagai pulau. Pada mulanya ketinggian permukaan air danau 1.150 m di atas permukaan laut, tetapi karena erosi mundur yang dialami sungai Asahan mencapai danau Toba maka drainasenya lewat sungai Asahan menyebabkan permukaan air danau turun hingga ketinggian 906 m di atas permukaan laut.
Sebagaiman telah disinggunga dimuka, pada periode Neogen (Mio-Pliosen) Sematra Timur mengalami penurunan mencapai ribuan meter, kemudian terisi dengan sdimen marine (Telisa & Lower Palembang stage) dan sedimen daratan (Middle & Upper Palembang stage). Ketika terjadi pengangkatan III pada periode Plio-Pleitosen, maka endapan di basin Sumatera Timur ini menderita tekanan gaya berat dari arah Bukit Barisan. Gejala Compression di basin minyak sumatera Timur pada periode Plio-Pleistosen akan dibicarakan secara berturut-turut mulai dari Sumatra Selatan ke utara.