Stora Karlsö är en klippa ute i havet – en rest av urtida havsbottnars myllrande korallrev som sen omvandlats till kalksten. Ön har branta sidor åt alla håll utom åt söder, vilket beror på att kalkstenslagren svagt sluttar åt det hållet. Mott norr klyvs berget av Norderhamns välkomnande gap. Klippbranterna är mäktiga: 25-45 meter höga på många ställen.

Den hårda revkalkstenen som ön består av bildades för över 400 miljoner år sedan. Denna tidsperiod kallas för silur och då befann sig Gotland i höjd med ekvatorn. Med en vattentemperatur på närmare 30 grader Celsius var det perfekta förhållanden för de koraller som byggde upp Karlsöarna.

Själva Stora Karlsö består av två korallrev från denna tid och allt material runt dessa revkroppar består av döda havsväxter och djur som blandat med lerslam bildat kalksten under årmiljonerna. Utanför Jaktpaviljongen i Hien ligger en fossilsamling, där du kan se spår av vad som levde här när ön bildades. Här finns bikakekorall (Favosites), kedjekorall, kattskallar (Stromatoporoider), sjöliljestjälkar (Kronoidéer) och mycket mera. Observera att man som besökare får ta upp, titta på och studera fossil hur mycket man vill ute på ön, men det är inte tillåtet att med sig dem hem.

På ön finns drygt tjugo grottor. Flera av de större ligger kring Norderhamn på norra sidan. Störst är Stora Förvar, 25 meter djup, vars unika kulturlager från stenåldern blivit undersökta. Läs mer om Karlsös historia.

Öns platå är ett alvar, en nästan trädlös gräshed formad av långvarigt fårbete. Alvarmarken är en ovanlig naturtyp – förutom på Öland och Gotland finns den bara på några ställen i Sverige och övriga världen. Alvar utmärks av plan mark på kalkberggrund med tunt eller inget jordtäcke.

Under drygt hundra år utan bete växte heden igen med buskar. Nu har beteslandskapet restaurerats – buskar och snår har röjts bort och fåren är tillbaka. Det har lett till att torktåliga och ljuskrävande alvarväxter gynnats, bland annat de många orkidéerna som finns på Stora Karlsö.