L'origine de cette instabilité chronique réside dans l'interaction entre les plaques tectoniques qui composent la lithosphère terrestre. La majeure partie du pourtour pacifique est dominée par le processus de subduction. Sous la poussée de l'expansion des fonds océaniques, la lourde et dense plaque Pacifique, ainsi que d'autres plaques océaniques plus petites comme celles de Nazca, des Cocos, de Juan de Fuca et des Philippines, plongent sous les plaques continentales ou océaniques adjacentes, plus légères. Cette plongée se fait à des vitesses imperceptibles à l'échelle humaine, de quelques centimètres par an, mais avec une énergie mécanique phénoménale. En s'enfonçant dans les profondeurs du manteau terrestre, la plaque subduite, gorgée d'eau et de sédiments, est soumise à des températures et des pressions extrêmes. Ces conditions provoquent la fusion partielle des roches du manteau sus-jacent, générant un magma visqueux et riche en gaz qui, moins dense, remonte lentement vers la surface. C'est ce magma qui alimente les chaînes volcaniques formant des arcs insulaires, comme les Aléoutiennes, le Japon, les Philippines ou les îles de la Sonde (Indonésie), ou des cordillères volcaniques continentales comme la cordillère des Andes. Les volcans de la ceinture de feu sont réputés pour la violence explosive de leurs éruptions, une conséquence directe de la forte viscosité de ces magmas andésitiques et rhyolitiques qui emprisonnent les gaz, faisant monter la pression jusqu'à des ruptures cataclysmiques.

Parallèlement au volcanisme, l'accumulation et la libération brutale des contraintes le long des surfaces de contact entre les plaques, dans les zones de subduction, sont à l'origine des séismes les plus dévastateurs. Ces failles peuvent rester bloquées pendant des décennies ou des siècles, accumulant une énergie élastique qui se libère en quelques secondes par un glissement brutal, provoquant des tremblements de terre de subduction, souvent de magnitude très élevée, comme celui de magnitude 9,5 au Chili en 1960, le plus puissant jamais enregistré, ou celui de Tōhoku au Japon en 2011. Ces séismes sous-marins peuvent engendrer des tsunamis dévastateurs, capables de traverser l'océan à grande vitesse et de frapper des côtes situées à des milliers de kilomètres. Le segment de la faille de San Andreas, en Californie, constitue une exception notable. Il ne s'agit pas d'une zone de subduction mais d'une faille transformante, où la plaque Pacifique et la plaque nord-américaine coulissent horizontalement l'une contre l'autre, provoquant une sismicité intense mais un volcanisme absent.

La diversité géographique de la ceinture de feu se décline en plusieurs segments majeurs. Elle commence sur la côte ouest de l'Amérique du Sud, où la plaque de Nazca plonge sous le continent, donnant naissance à la cordillère des Andes et à ses géants comme le Chimborazo ou le Cotopaxi. Elle remonte ensuite le long de l'Amérique centrale et du Mexique, avec la subduction de la plaque des Cocos, puis longe la côte ouest de l'Amérique du Nord, marquée par la chaîne des Cascades, où des volcans comme le mont Saint Helens ou le mont Rainier surplombent les grandes métropoles. Après la faille de San Andreas, la subduction reprend au niveau de l'arc des Aléoutiennes, s'étirant jusqu'à la péninsule du Kamtchatka en Russie. De là, elle descend vers le sud à travers l'archipel du Japon, l'un des points les plus actifs où quatre plaques tectoniques se rencontrent, puis bifurque vers les îles Mariannes, les Philippines, et se prolonge par l'arc indonésien, notamment Sumatra et Java, théâtre du tsunami meurtrier de 2004. Elle se termine par un vaste complexe au nord de la Nouvelle-Zélande, en passant par les îles Tonga, Kermadec, Vanuatu et la Papouasie-Nouvelle-Guinée, avant de boucler la boucle.

Cette activité tectonique incessante ne fait pas de la ceinture de feu uniquement une zone de destruction. Elle est aussi le moteur créateur de paysages grandioses, d'écosystèmes particuliers et de ressources minérales considérables. Les sols volcaniques, d'une fertilité exceptionnelle, ont de tout temps attiré les populations, expliquant la forte densité humaine sur des terres pourtant menacées. La géothermie, source d'énergie renouvelable, est directement exploitée à partir de la chaleur du sous-sol, notamment en Islande (qui est sur la dorsale médio-atlantique, mais le principe est le même), au Japon ou en Nouvelle-Zélande. Les fluides hydrothermaux associés au volcanisme sous-marin créent des sources chaudes abyssales, des oasis de vie foisonnante au fond des océans, indépendantes de la photosynthèse.

Pour les scientifiques, la ceinture de feu est un laboratoire naturel inestimable pour comprendre la dynamique interne de notre planète, le cycle des roches et la formation des continents. La surveillance constante de cette région, à l'aide de sismomètres, de GPS et de satellites, constitue le seul rempart pour tenter de prévoir et mitiger les risques qui pèsent sur les centaines de millions d'humains vivant sur ses rives.