Karbonatmineralerne indeholder det anioniske kompleks (CO3)2-, som er trekantet i sin koordinering – dvs. med et kulstofatom i midten og et iltatom i hvert af hjørnerne af en ligesidet trekant. Disse anioniske grupper er stærkt bundne individuelle enheder og deler ikke iltatomer med hinanden. De trekantede karbonatgrupper er de grundlæggende byggeenheder i alle karbonatmineraler og er i høj grad ansvarlige for de egenskaber, der er særlige for klassen.
Karbonater identificeres ofte ved hjælp af brusetesten med syre. Reaktionen, der resulterer i den karakteristiske brus, 2H+ + CO2/3→ H2O + CO2, udnytter det faktum, at CO3-gruppernes kulstof-syrebindinger ikke er helt så stærke som de tilsvarende kulstof-syrebindinger i kuldioxid.
De almindelige vandfrie (vandfri) karbonater er opdelt i tre grupper, der adskiller sig i strukturtype: calcit, aragonit og dolomit. Kobberkarbonaterne azurit og malakit er de eneste bemærkelsesværdige vandholdige varianter.
Medlemmerne af calcitgruppen har en fælles strukturtype. Den kan betragtes som et derivat af NaCl-strukturen, hvor carbonatgrupperne (CO3) erstatter klorionerne, og calciumkationerne erstatter natriumkationerne. Som følge af CO3-gruppernes trekantede form er strukturen rhomboedrisk i stedet for isometrisk som i NaCl. CO3-grupperne befinder sig i planer vinkelret på den tredobbelte c-akse, og calciumionerne indtager skiftende planer og er bundet til seks oxygenatomer i CO3-grupperne.
Medlemmer af calcitgruppen udviser perfekt rhomboedrisk kløvning. Sammensætningen CaCO3 forekommer oftest i to forskellige polymorfer: rhomboedrisk calcit med calcium omgivet af seks nærmeste oxygenatomer og orthorhombisk aragonit med calcium omgivet af ni nærmeste oxygenatomer.
Når CO3-grupper kombineres med store tosidige kationer (generelt med ionradier større end 1,0 Å), opstår der orthorhombiske strukturer. Dette er kendt som aragonitstrukturtypen. Medlemmer af denne gruppe omfatter dem med store kationer: BaCO3, SrCO3 og PbCO3. Hvert kation er omgivet af ni nærmeste oxygenatomer.
Aragonitgruppen udviser en mere begrænset fast opløsning end calcitgruppen. Den type kation, der er til stede i aragonitmineralerne, er i høj grad ansvarlig for forskellene i de fysiske egenskaber blandt gruppens medlemmer. Specifik vægtfylde er f.eks. nogenlunde proportional med metalionernes atomvægt.
Dolomit , kutnohorit og ankerit er tre isostrukturelle medlemmer af dolomitgruppen. Dolomitstrukturen kan betragtes som en struktur af calcit-typen, hvor magnesium- og calciumkationer indtager metalpladserne i skiftende lag. Calcium- (Ca2+) og magnesium- (Mg2+) ionerne har en størrelsesforskel på 33 %, og dette medfører en kationordning, hvor de to kationer optager specifikke og adskilte niveauer i strukturen. Dolomit har et calcium-magnesium-forhold på ca. 1:1, hvilket giver den en sammensætning midt imellem CaCO3 og MgCO3.