Karbonaattimineraalit sisältävät anionista kompleksia (CO3)2-, joka on koordinaatioltaan kolmiomainen – eli hiiliatomi on keskellä ja happiatomi tasasivuisen kolmion kussakin kulmassa. Nämä anioniset ryhmät ovat vahvasti sidottuja yksittäisiä yksiköitä, eivätkä ne jaa happiatomeja keskenään. Kolmionmuotoiset karbonaattiryhmät ovat kaikkien karbonaattimineraalien perusrakenneyksiköitä, ja ne ovat suurelta osin vastuussa luokalle ominaisista ominaisuuksista.
Karbonaatit tunnistetaan usein hapon kanssa suoritettavalla poreilukokeella. Reaktiossa, joka johtaa tyypilliseen poreiluun, 2H+ + CO2/3→ H2O + CO2, hyödynnetään sitä, että CO3-ryhmien hiilen ja hapen väliset sidokset eivät ole aivan yhtä vahvoja kuin hiilidioksidin vastaavat hiilen ja hapen väliset sidokset.
Yleiset vedettömät (vedettömät) karbonaatit jaetaan kolmeen ryhmään, jotka eroavat toisistaan rakennetyypiltään, nimittäin: kalsiittiin (calcite), aragoniittiin (aragonite) ja dolomiittiin. Kuparikarbonaatit atsuriitti ja malakiitti ovat ainoat merkittävät vesipitoiset lajikkeet.
Kalsiittiryhmän jäsenillä on yhteinen rakennetyyppi. Sitä voidaan pitää NaCl-rakenteen johdannaisena, jossa karbonaattiryhmät (CO3) korvaavat kloori-ionit ja kalsiumkationit korvaavat natriumkationit. CO3-ryhmien kolmiomaisen muodon vuoksi rakenne on rhomboedrinen eikä isometrinen kuten NaCl:ssä. CO3-ryhmät ovat tasoissa, jotka ovat kohtisuorassa kolminkertaiseen c-akseliin nähden, ja kalsiumionit ovat vuorotellen tasoissa ja sitoutuneina CO3-ryhmien kuuteen happiatomiin.
Kalsiittiryhmän jäsenillä on täydellinen romboedrinen halkio. Koostumukseltaan CaCO3 esiintyy tavallisimmin kahdessa eri polymorfissa: rhomboedrisenä kalsiittina, jossa kalsiumia ympäröi kuusi lähintä happiatomia, ja orthorhombisena aragoniittina, jossa kalsiumia ympäröi yhdeksän lähintä happiatomia.
Kun CO3-ryhmät yhdistetään suuriin kaksiarvoisiin kationeihin (joiden ionisäteet ovat yleensä suuremmat kuin 1,0 Å:n ionisäteet), syntyy orthorhombinen rakenne. Tätä kutsutaan aragoniittirakennetyypiksi. Tähän ryhmään kuuluvat ne, joissa on suuria kationeja: BaCO3, SrCO3 ja PbCO3. Kutakin kationia ympäröi yhdeksän lähintä happiatomia.
Aragoniittiryhmässä on rajoitetumpi kiinteä liuos kuin kalsiittiryhmässä. Aragoniittimineraaleissa esiintyvän kationin tyyppi on suurelta osin vastuussa ryhmän jäsenten fysikaalisten ominaisuuksien eroista. Esimerkiksi ominaispaino on suunnilleen verrannollinen metalli-ionien atomipainoon.
Dolomiitti , kutnohoriitti ja ankeriitti ovat kolme dolomiittiryhmän isorakenteista jäsentä. Dolomiitin rakennetta voidaan pitää kalsiittityyppisenä rakenteena, jossa magnesium- ja kalsiumkationit miehittävät metallipaikkoja vuorotellen. Kalsium- (Ca2+) ja magnesium- (Mg2+) ionien kokoero on 33 prosenttia, mikä aiheuttaa kationijärjestäytymisen siten, että nämä kaksi kationia ovat rakenteessa erityisillä ja erillisillä kerroksilla. Dolomiitin kalsium-magnesium-suhde on noin 1:1, joten sen koostumus on CaCO3:n ja MgCO3:n välimuoto.