Hovedparten af Firetønderstenen består af en svagt porfyrisk granitisk gnejs, der er mere øjegnejs end båndet gnejs. Det porfyriske træk træder nogle steder frem som begyndende øjegnejs-tekstur. Rødlig alkalifeldspat ligger i delvist parallelle bånd, men er ofte brudt op i et flamme-agtige forløb og udgør separate rhombeformede alkalifeldspat-'øjne'. De største 'øjne' er op til 4 x 2 cm. Foliationen (stribningen) står stejlt og følger en østlig til vestlig retning. Bjergarten er mellem- til grovkornet og indeholder alkalifeldspat (30 %), plagioklas, kvarts og biotit. Magnetit er påvist med håndmagnet.
På vestsiden især ses flere 2-5 cm brede granitiske pegmatit-årer, som skærer gnejsen på tværs af foliationen. I dag fremstår Firetønderstenen delvist afrundet, men med kanter og indhak, som markerer de dominerende opsprækningsretninger i stenen.
Amfibolit
På nord- og vestsiden af stenen ses skarpkantede xenolither (indeslutninger) af mørk finkornet amfibolit delvist gennemskåret af grovkornede pegmatiske årer. Xenolitherne måler op mod 20 x 40 cm og er ofte arrangeret langs foliationen af gnejsen. Amfibolitten består af millimetertynde lag af hhv. plagioklas-rige og amfibol-rige lag. Tæt på kontakten mellem gnejs og amfibolit findes et 2 cm meget mørkt (ultramafisk) bånd af hornblendit. Foliationen af amfibolitten er ikke altid identisk med gnejsens, hvilket betyder, at amfibolitten fik sin laminerede struktur, før gnejsen fik sin. To deformationsbegivenheder skal der derfor til for at forklare de to bjergarters udseende.
Amfibolitten er ældst og har ligget som indeslutninger i granit. Da bjergarten kom under tryk dybt i jordskorpen, omdannedes granitten til gnejs, og der blev dannet hornblendit i kontaktzonen mellem gnejs og amfibolit. De grovkornede pegmatiske årer gennemskærer både foliationen i gnejs og i amfibolit og må således være den yngste bjergart, du kan se i Firetønderstenen. Sprækker (joints) opstod efter den trykaflastning, der skete, da fjeldkæden blev tæret ned, og bjergarten kom tættere på overfladen.
17.000 år i solens lys
Blotlagt på overfladen kunne indlandsisen plukke kolossen op og flytte den til Sjælland. Kosmogen eksponeringsdatering påviser, at Firetønderstenen har ligget eksponeret for stråling fra himmelrummet i knap 17.000 år. For 17.000 år siden så den altså dagens lys igen efter rejsen indkapslet i indlandsisen. Dateringen fortæller, at det var i den periode, Sjælland blev isfrit, og dødislandskabet, hvori Vinskoven ligger, tog form.
Bjergarterne i Firetønderstenen og Pandekagestenen ligner hinanden så meget, at det er nærliggende at tro, at de stammer fra samme sted i det skandinaviske grundfjeldsområde. Mest sandsynligt Sverige, da yngste isfremstød over Sjælland kom fra de egne.