碳酸鹽巖是自然界中重碳酸鈣溶液發生過飽和，從水體中沉澱形成。現代和古代碳酸鹽沉積主要分佈於低緯度帶無河流注入的清澈而溫暖的淺海陸棚環境以及濱岸地區。這是因為碳酸鹽過飽和沉澱需要排出CO2，海水溫度升高和海水深度變小都有利於水中CO2分壓降低，促進重碳酸鈣過飽和沉澱。另外，溫暖淺海環境，生物發育，藻類光合作用均需要吸收CO2，也促進CaCO3的飽和和沉澱。底棲和浮游生物還透過生物化學和生物物理作用直接建造鈣質骨骼，形成生物碳酸鹽巖。機械作用在碳酸鹽巖形成中佔有重要位置。在淺海帶中一經沉澱的碳酸鹽沉積物就受到水動力帶能量的改造、簸選和沉積分異，形成以機械作用為主的各種灘、壩顆粒碳酸鹽沉積體。同時，波浪、潮汐流、風暴流攪動海盆地，促使海水中CO2迅速釋放,由新鮮的水流帶來充分的養料，加速生物繁殖，因而使碳酸鹽沉積。

在有陸源輸入的淺海盆地，碳酸鹽沉積受到排斥和干擾，形成不純的泥質和砂質碳酸鹽巖。在有障壁的瀉湖和海灣，常常因海水中Mg2+濃度增加，形成高鎂碳酸鹽巖和白雲岩。在大陸淡水環境，碳酸鹽過飽和時常常形成各種結殼狀碳酸鹽巖──鈣結巖。