Die Karbonatminerale enthalten den anionischen Komplex (CO3)2-, der dreieckig koordiniert ist, d. h. mit einem Kohlenstoffatom in der Mitte und einem Sauerstoffatom an jeder Ecke eines gleichseitigen Dreiecks. Bei diesen anionischen Gruppen handelt es sich um stark gebundene individuelle Einheiten, die untereinander keine Sauerstoffatome teilen. Die dreieckigen Karbonatgruppen sind die Grundbausteine aller Karbonatminerale und sind weitgehend für die besonderen Eigenschaften dieser Klasse verantwortlich.

Karbonate werden häufig mit dem Brausetest mit Säure identifiziert. Die Reaktion, die zu dem charakteristischen Sprudeln führt, 2H+ + CO2/3→ H2O + CO2, macht sich die Tatsache zunutze, dass die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen der CO3-Gruppen nicht ganz so stark sind wie die entsprechenden Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen in Kohlendioxid.

Die gebräuchlichen wasserfreien Karbonate werden in drei Gruppen unterteilt, die sich im Strukturtyp unterscheiden: Calcit, Aragonit und Dolomit. Die Kupfercarbonate Azurit und Malachit sind die einzigen nennenswerten wasserhaltigen Varietäten.

Die Mitglieder der Calcitgruppe haben einen gemeinsamen Strukturtyp. Er kann als ein Derivat der NaCl-Struktur betrachtet werden, bei dem die Carbonat-(CO3)-Gruppen die Chlor-Ionen und die Calcium-Kationen die Natrium-Kationen ersetzen. Infolge der dreieckigen Form der CO3-Gruppen ist die Struktur rhomboedrisch und nicht isometrisch wie bei NaCl. Die CO3-Gruppen befinden sich in Ebenen, die senkrecht zur dreifachen c-Achse stehen, und die Calciumionen besetzen abwechselnd Ebenen und sind an sechs Sauerstoffatome der CO3-Gruppen gebunden.

Mitglieder der Calcitgruppe weisen eine perfekte rhomboedrische Spaltung auf. Die Zusammensetzung CaCO3 kommt am häufigsten in zwei verschiedenen Polymorphen vor: rhomboedrischer Calcit, bei dem das Calcium von sechs engsten Sauerstoffatomen umgeben ist, und orthorhombischer Aragonit, bei dem das Calcium von neun engsten Sauerstoffatomen umgeben ist.

Wenn CO3-Gruppen mit großen zweiwertigen Kationen (im Allgemeinen mit Ionenradien von mehr als 1,0 Å) kombiniert werden, entstehen orthorhombische Strukturen. Dies wird als Aragonit-Strukturtyp bezeichnet. Zu den Mitgliedern dieser Gruppe gehören solche mit großen Kationen: BaCO3, SrCO3 und PbCO3. Jedes Kation ist von neun eng beieinander liegenden Sauerstoffatomen umgeben.

Die Aragonitgruppe weist eine begrenztere Mischkristallbildung auf als die Calcitgruppe. Die Art der in Aragonitmineralen vorhandenen Kationen ist weitgehend für die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften der Mitglieder der Gruppe verantwortlich. So ist beispielsweise das spezifische Gewicht ungefähr proportional zum Atomgewicht der Metallionen.

Dolomit, Kutnohorit und Ankerit sind drei isostrukturelle Mitglieder der Dolomitgruppe. Die Dolomitstruktur kann als eine Struktur vom Calcit-Typ betrachtet werden, bei der Magnesium- und Calciumkationen die Metallstellen in abwechselnden Schichten besetzen. Die Calcium- (Ca2+) und Magnesiumionen (Mg2+) unterscheiden sich in ihrer Größe um 33 %, was zu einer Kationenordnung führt, bei der die beiden Kationen spezifische und getrennte Ebenen in der Struktur besetzen. Dolomit hat ein Calcium-Magnesium-Verhältnis von etwa 1:1 und liegt damit in seiner Zusammensetzung zwischen CaCO3 und MgCO3.