Höytiäinen kuuluu geologisesti karjalaisen liuskevyöhykkeeseen, jonka alueella yleisin kivilaji on hienojakoista kiilleliusketta. Liuskeisuuden suunta on järven pituusakselin mukainen eli luoteesta kaakkoon. Usein nämä liuskepatjat ovat myös jyrkästi itään tai länteen viettäviä.
Kallioperustan lisäksi järven piirteisiin on vaikuttanut jäätiköityminen vaiheineen. Jää kulutti rikkonaiset kohdat syvänteiksi, kun taas ehyimmät ja kovimmat kohdat jäivät näkyviin kalliosaarina. Höytiäisen eteläosilta, nykyisen Jaamankankaan linjalta, mannerjäätikkö alkoi vetäytyä runsaat 10 000 vuotta sitten. Sulamisvesien kuljettamasta ja kasaamasta hiekasta, sorasta ja kivistä syntyivät Jaamankankaan ja Kontioniemen harjumuodostumat.
Mannerjäätikön sulava reuna saavutti Höytiäisen pohjoispään noin 9700 vuotta sitten, ja maankohoamisen seurauksena järvi kuroutui itsenäiseksi pari sataa vuotta myöhemmin. Maa kohosi luode - kaakkoissuunnassa ja järven luoteisosassa veden pinta laski. Kaakossa vedenpinta sen sijaan kohosi ja rantaviiva perääntyi. Ennen järvenlaskua veden pinta oli alentunut järven pohjoispäässä 4-5 metriä, kun taas eteläpäässä se oli kohonnut 10-11 metriä peittäen Jaamankankaalla rantasoita. Lasku-uoman siirtyminen siihen osaan järveä, jossa maankohoaminen oli hitaampaa, merkitsi muutosta aiempaan kehitykseen: vedenpinnan aleneminen järven pohjoisosassa ja kohoaminen sen eteläosassa muuttui vedenpinnan hitaaksi alenemiseksi koko järvessä. Tätä jatkui Puntarikosken valjastamiseen saakka (1957-58), minkä jälkeen maankohoamismekanismi ei enää ole säädellyt vedenpinnan muutoksia.
Höytiäisen lasku-uoma ja sen purkauslaakson rinteet ja tarjosivat tutkijoille oivan kohteen selvittää tämän reunamuodostuman rakennetta. Veden alta paljastuneet maat toivat uutta tietoa järven historiasta. Varhaisimmat tutkijat saapuivatkin paikalle heti järvenlaskun jälkeen. Väinö Auer ja Matti Sauramo ratkaisivat 1920-luvulla paljastuneiden eloperäisten kerrostumien eli "kuolleiden metsien" arvoituksen. Höytiäisen kehitys on luettavissa esimerkiksi Kontiolahden Vierevänniemen rakenteista. Tutkijoita kävi alueella jo aiemminkin, muun muassa venäläinen ruhtinas, maantieteilijä ja tunnettu anarkisti Pjotr Aleksejevitsh Kropotkin, maankohoamisen yhteyksiä maakerrostumiin tutkinut A.F. Thoreld sekä samaa aihepiiriä tutkineet kasvitieteilijä R. Herlin ja geologi W.W. Wilkman. Kesällä 1914 Höytiäiseen tutustui myös Antti Rietrikki Helaakoski, joka poikansa Aaron kanssa selvitti Jouhtenisen saaren rantamuotoja. Aaro Helaakoskesta tuli myöhemmin kuulu runoilija ja luonnontutkija.
Höytiäisen kuuluu nykyään pääjärvenä omaan vesistöalueeseensa Polvijärven, Kontiolahden, Juuan ja Kaavin kuntien alueilla. Vesistöalueen pinta-ala on 1460 km², josta Höytiäisen itsensä osuus on noin viidennes. Metsien osuus on 65%, pellon 11% ja suon 24% maa-alasta.
Höytiäinen on vesistöllisestikin kahtiajakoinen järvi etelän syvine ja avarine selkävesineen sekä pohjoisen matalempine salmi- ja lahtivesineen. Järvi on kokonaisuutena varsin syvä, keskisyvyys on noin 12 m. Selkäveden alueella on muutamia yli 50 metrin syvänteitä ja suurin syvyys on 62 metriä. Syvyyseroista johtuen Höytiäinen saa jääpeitteensä eri aikoihin. Pohjoisen alueen matalat lahdet jäätyvät yleensä jo marraskuussa. Vastaavasti eteläosan selkävesi jäätyy vasta joulukuun puolella ja jäät lähtevät toukokuun puolivälissä.
Eteläisellä selkäalueella vesi on kirkasta ja niukkaravinteista, pohjoisosien kolme suurta lahtea (Rauan- ja Ruvaslahdet, Martonvaaranselkä) ovat humuspitoisia ja reheviä. Niiden luontaista rehevyyttä lisää maatalouden ja ojituksen aiheuttama kuormitus. Myös loma-asutus kuormittaa järveä. Suuresta vesitilavuudesta ja valuma-alueen pienuudesta johtuen järven vesi vaihtuu hitaasti (n. 7 vuotta), mikä tekee siitä likaantumiselle alttiin. Valtakunnallisen luokituksen mukaan Höytiäisen selkävesialue on ollut laadultaan hyvää tai erinomaista sekä suurin osa lahtialueista hyvää. Tyydyttäviä tai välttäviä ovat Rauanlahti ja Kaianlahti.