Karbon döngüsünün jeolojik bölümü, küresel karbon döngüsünün diğer bölümlerine kıyasla yavaş çalışır. Atmosferdeki karbon miktarının ve dolayısıyla küresel sıcaklıkların en önemli belirleyicilerinden biridir.
Dünyadaki karbonun çoğu, hareketsiz olarak dünyadaki litosferde depolanır. Yeryüzünün mantosunda depolanan karbonun büyük kısmı, dünya oluştuğunda orada depolanmıştır. Bazıları biyosferden alınan organik karbon şeklinde çökelmiştir. Jeosferde depolanan karbonun yaklaşık% 80'i, deniz organizmalarının kabuklarında depolanan kalsiyum karbonatın çökelmeden oluşan kireçtaşı ve türevleridir. Kalan % 20, yüksek ısı ve basınç altında karasal organizmaların çökelmesi ve gömülmesi yoluyla oluşan kerojenler olarak depolanır. Jeosferde depolanan organik karbon milyonlarca yıl orada kalabilir.
Karbon jeoküreyi çeşitli şekillerde terk edebilir. Karbon dioksit, karbonat kayaçlarının yeryüzündeki mantoya batırıldığında metamorfizması sırasında açığa çıkar. Bu karbondioksit, volkanlar ve sıcak noktalardan atmosfere ve okyanusa salınabilir. Aynı zamanda, insanlar tarafından fosil yakıtlar biçiminde doğrudan kerojenlerin ekstraksiyonu yoluyla uzaklaştırılabilir. Ekstraksiyondan sonra, enerjiyi serbest bırakmak ve depoladıkları karbonu atmosfere yaymak için fosil yakıtlar yakılır.
