碳酸盐岩主要形成于温暖气候条件的浅海环境。浅海相碳酸盐岩不仅以化学、生物化学、生物方式形成，也有机械作用形成的，因此它是多种机制综合形成的一类化学岩及生物化学岩。颗粒和灰泥（相当于杂基）的比例及其组合而成的多种岩石类型，永远是鉴定浅海相碳酸盐岩沉积环境的重要标志，但在半深海—深海环境也有较广泛分布。深海碳酸盐岩的形成和演化有其特定的古地形、古水深、古水介质和古水流等沉积环境和沉积条件。深水碳酸盐岩多起因于风暴条件，形成于大陆坡及深水盆地中。具有叠覆递变的角砾化碳酸盐岩、具有鲍玛层序的典型浊积岩和深水超微化石及遗迹化石的组合层序是鉴别深水碳酸盐岩的重要相标志。
碳酸盐岩的形成和分布不仅受制于沉积环境，也与成岩环境和成岩作用密切相关，碳酸盐沉积物固结成岩可以在很短的时间内完成，但有一些碳酸盐岩仍需经过漫长的地质年代才最后形成。
碳酸盐岩具有易溶性和易变性，一般都有复杂的成岩历史，只有通过化学成岩作用、物理成岩作用和物理—化学成岩作用研究，剔除碳酸盐岩各种成岩作用的影响，才能有效地恢复碳酸盐沉积物（岩）的本来面貌。
