Neposredna okolina Vranjske Banje izgradjena je od starih stena koje su rasednute na istočnom obodu Vranjske kotline, Duž ovog raseda kotlina je spuštena i izbile su magmatske stene , a u zoni rasedanja i erup­tivnih izliva izbijaju topli mineralni izvori. Više lekovitih izvora obrazuje hidrotermalnu zonu dužine i širine oko 60 km, na levoj strani Banjske reke. Izvori izbijaju duž pukotina, koje su pokrivene debljim slojem rečno-bujičnog nanosa. Nekoliko izvora izbija u rečnom koritu. Većina izvora je kaptirana, voda im je sličnog fizičko-hemijskog sastava, ali se razlikuje po temperaturi. Vreli izvori Vranjske Banje su najtopliji u Srbiji sa tem­peraturom od 63° do 99°C. Voda je sumporovita i gvoždjevita, alkalno-salinična, kao u Koviljači, samo daleko toplija. Ukupna količina vode u ovoj našoj najizrazitijoj hipertermi dostiže 60 litara u sekundi. Topla mineralna voda nekoliko izvora u rečnom koritu, meša se sa rečnom i izdanskom vodom, pa je izgubljena za lečenje.

Medju toplim izvorima ovog lečilišta poznata je "Velika česma", uz rečno korito. Daje oko 35 litara vode u minutu, koja je slabo sumporovita, alkalno-salinična i sa temperaturom od 92°C. Ohladjena, ova mineralna voda služi za piće. Sumporoviti izvor daje oko 5,5 litara vode u minuti sa temperaturom 84°C. Ovaj izvor snabdeva vodom sumporoviti bazen za kupanje. Gvoždjeviti izvor daje u minuti oko 7 litara vode temperature 63°C. Mešoviti izvor daje vodu složenijeg sastava i temperature 72°C. Njegov kapacitet premašuje četiri litre vode u minuti, kojom se napaja mešoviti bazen. Vrući izvor, čija je voda temperature 82°C izbija iz prokopa u steni, a kapacitet mu je oko 60 litara u minuti. Topli izvori Vranjske Banje su nedovoljno iskorišćeni. Svakodnevno u Južnu Moravu otiče oko šest miliona litara tople i lekovite vode, čija je toplota i posle korišćenja, još uvek iznad 50°C.

Lekovita voda "Velike česme" sadrži u litru - od katjona, najviše natrijuma, kalcijuma, kalijuma i manje magnezijuma i amonijuma. Od anjona najviše ima hidrokarbonata, sulfata i hlora. Od koloidalno otopljenih oksida najviše ima silicijum-dioksida, a manje gvozda i aluminijum oksida. Ukupni mi­neralni sastav u litru vode iznosi 1,330 grama. "Gvoždeviti izvor" ima nešto više gvoždja, ali ne toliko da bi se njegova voda mogla smatrati izrazito gvoždjevitom. Sumporovita termalna voda Vranjske Banje slična je poznatijim budinskim sumporovitim izvorima temperature od 45° do 63,5°C i sumporovitim termama u francuskim Pirinejima.

Vode Vranjske Banje su sumporovite i gvoždjevite, pa je širok dijapazon bolesti koje lecč. Lečenje se uglavnom obavlja kupanjem, ali i pijenjem, ispi­ranjem i inhaliranjem, hidro, elektro i fango terapijom. Vrela i topla voda se hlade pomoću hladne rečne vode, koja protiče kroz cevi hladionika, ali se ne meša sa mineralnom vodom. Indikacije za kupanje su: hronična reumatična oboljenja mišića i zglobova, neuralgije, išijas i lumbago, oboljenja ženskih polnih organa, kožne bolesti, posledice povreda zglobova i preloma kostiju, atrofija mišića i dr. Voda se pije kod oboljenja creva, želuca, jetre, bubrega, anemičnog i limfatičnog stanja, dijabetesa i dr. Kontraindikacije su: grozničava stanja, akutne bolesti, tuberkuloza pluća, srčana oboljenja, krvarenja, neurastenija, histerija, trudnoća, iscrpljenost itd.

Banja je organizovana kao zdravstvena ustanova - Zavod za reumatizam "Vranjska Banja", u či­jem su sastavu banjska poliklinika, klinička laboratorija, kabinet za fizikalnu terapiju i masažu, rendgenološki kabinet i odeljenje za elektrokardiografiju. Vrela voda Banje se sve više koristi u industrijske svrhe.