W tej części Andów granica śniegu przebiega w przybliżeniu na wysokości 4800 m n.p.m., a opady silnie różnią się po obu stronach masywu: wilgotniejsze są stoki wschodnie, zasilane wilgocią znad Amazonii, natomiast okolice Riobamby po zachodniej stronie pozostają w cieniu opadowym.
Geologia Sangay powstał w wyniku subdukcji płyty Nazca pod płytę południowoamerykańską w strefie związanej z Rowem Atakamskim. Jest najbardziej na południe wysuniętym wulkanem północnej strefy wulkanicznej Andów. Jego położenie na granicy dwóch odmiennych fragmentów subdukowanej skorupy oceanicznej uznaje się za jedną z przyczyn wyjątkowo wysokiej aktywności.
Rozwój wulkanu przebiegał w trzech głównych fazach. Najstarsza budowla, datowana na 500–250 tys. lat, uległa wielkiemu obrywowi stoku, który rozrzucił materiał daleko na wschód od obecnego stożka. Druga faza, datowana na 100–50 tys. lat, zakończyła się kolejną katastrofalną lawiną gruzową. Obecny stożek ma niemal regularny kształt, nachylenie około 35°, grzbiet szczytowy biegnący ze wschodu na zachód, trzy aktywne kratery i kopułę lawową. Wulkan budują głównie andezyty, a jego obecna forma jest aktywna od co najmniej 14 tys. lat.