碳酸盐岩是自然界中重碳酸钙溶液发生过饱和，从水体中沉淀形成。现代和古代碳酸盐沉积主要分布于低纬度带无河流注入的清澈而温暖的浅海陆棚环境以及滨岸地区。这是因为碳酸盐过饱和沉淀需要排出CO2，海水温度升高和海水深度变小都有利于水中CO2分压降低，促进重碳酸钙过饱和沉淀。另外，温暖浅海环境，生物发育，藻类光合作用均需要吸收CO2，也促进CaCO3的饱和和沉淀。底栖和浮游生物还通过生物化学和生物物理作用直接建造钙质骨骼，形成生物碳酸盐岩。机械作用在碳酸盐岩形成中占有重要位置。在浅海带中一经沉淀的碳酸盐沉积物就受到水动力带能量的改造、簸选和沉积分异，形成以机械作用为主的各种滩、坝颗粒碳酸盐沉积体。同时，波浪、潮汐流、风暴流搅动海盆地，促使海水中CO2迅速释放,由新鲜的水流带来充分的养料，加速生物繁殖，因而使碳酸盐沉积。

在有陆源输入的浅海盆地，碳酸盐沉积受到排斥和干扰，形成不纯的泥质和砂质碳酸盐岩。在有障壁的泻湖和海湾，常常因海水中Mg浓度增加，形成高镁碳酸盐岩和白云岩。在大陆淡水环境，碳酸盐过饱和时常常形成各种结壳状碳酸盐岩──钙结岩。