De carbonaatmineralen bevatten het anionische complex (CO3)2-, dat driehoekig is in zijn coördinatie – d.w.z. met een koolstofatoom in het midden en een zuurstofatoom op elk van de hoeken van een gelijkzijdige driehoek. Deze anionische groepen zijn sterk gebonden afzonderlijke eenheden en delen geen zuurstofatomen met elkaar. De driehoekige carbonaatgroepen zijn de basisbouwstenen van alle carbonaatmineralen en zijn grotendeels verantwoordelijk voor de bijzondere eigenschappen van deze klasse.

Carbonaten worden vaak geïdentificeerd met behulp van de bruistest met zuur. De reactie die resulteert in de karakteristieke bruis, 2H+ + CO2/3→ H2O + CO2, maakt gebruik van het feit dat de koolstof-zuurstofbindingen van de CO3-groepen niet zo sterk zijn als de overeenkomstige koolstof-zuurstofbindingen in koolstofdioxide.

De gewone watervrije carbonaten worden verdeeld in drie groepen die verschillen in structuurtype: calciet, aragoniet, en dolomiet. De kopercarbonaten azuriet en malachiet zijn de enige opmerkelijke watervrije variëteiten.

De leden van de calcietgroep hebben een gemeenschappelijk structuurtype. Het kan worden beschouwd als een afgeleide van de NaCl-structuur waarin de carbonaatgroepen (CO3) de chloorionen vervangen en de calciumkationen de natriumkationen vervangen. Als gevolg van de driehoekige vorm van de CO3-groepen is de structuur rhombohedraal in plaats van isometrisch zoals bij NaCl. De CO3-groepen bevinden zich in vlakken loodrecht op de drievoudige c-as, en de calciumionen bezetten afwisselende vlakken en zijn gebonden aan zes zuurstofatomen van de CO3-groepen.

Leden van de calcietgroep vertonen een perfecte rhombohedrale splijting. De samenstelling CaCO3 komt meestal voor in twee verschillende polymorfen: rhombohedraal calciet met calcium omgeven door zes zuurstofatomen die het dichtst bij elkaar liggen en orthorhombisch aragoniet met calcium omgeven door negen zuurstofatomen die het dichtst bij elkaar liggen.

Wanneer CO3-groepen worden gecombineerd met grote tweewaardige kationen (in het algemeen met ionische stralen groter dan 1,0 Å), ontstaan orthorhombische structuren. Dit staat bekend als het aragonietstructuurtype. Leden van deze groep zijn die met grote kationen: BaCO3, SrCO3, en PbCO3. Elk kation is omgeven door negen zuurstofatomen die het dichtst bij elkaar liggen.

De aragonietgroep vertoont een beperktere vaste oplossing dan de calcietgroep. Het type kation dat in aragonietmineralen aanwezig is, is grotendeels verantwoordelijk voor de verschillen in fysische eigenschappen tussen de leden van de groep. Het soortelijk gewicht is bijvoorbeeld ongeveer evenredig met het atoomgewicht van de metaalionen.

Dolomiet , kutnohoriet , en ankeriet zijn drie isostructurele leden van de dolomietgroep. De dolomietstructuur kan worden beschouwd als een calcietachtige structuur waarin magnesium- en calciumkationen de metaalplaatsen in afwisselende lagen bezetten. De calcium- (Ca2+) en magnesium- (Mg2+) ionen verschillen 33% in grootte, waardoor een kationordening ontstaat waarbij de twee kationen specifieke en afzonderlijke niveaus in de structuur bezetten. Dolomiet heeft een calcium-magnesium verhouding van ongeveer 1:1, waardoor het een samenstelling heeft die het midden houdt tussen CaCO3 en MgCO3.