Il carbone fossile è noto come combustibile fino dall'antichità, come è accaduto per il petrolio, ma è solo dal 1700 che è divenuto una fonte primaria di energia, sostituendo il legno soprattutto in Gran Bretagna con la famosa Rivoluzione Industriale.
I carboni sono delle vere e proprie rocce sedimentarie e sono costituiti dai resti di accumuli vegetali, modificati dalle pressioni e temperature che si trovano in profondità nella crosta, e come nel caso del petrolio, anche il carbone nasce attraverso una progressiva eliminazione, dai resti vegetali, di componenti come idrogeno e ossigeno con un conseguente arricchimento indiretto di carbonio che lo portano a diverse litologie a seconda della percentuale di carbonio presente.

Quindi le zone più favorevoli per la formazione di depositi organici vegetali sono le pianure costiere, le lagune, gli acquitrini delle alte latitudini, come in Russia, Canada, Nord Europa, dove il clima freddo rallenta la decomposizione, ma anche in regioni calde umide che favoriscono la crescita di vegetali. Quando questi accumuli vengono sepolti, inizia la fase di formazione del carbone che inizialmente sarà un fitto intreccio di resti vegetali chiamato torba dove le condizioni anaerobiche dell'ambiente impediscono l'ossidazione e la decomposizione batterica. Possiamo anche avere la formazione del sapropel, cioè una fanghiglia originata da depositi di organismi planctonici, materiali argillosi e resti di piante superiori in acque stagnanti come nel Mare Nero; solitamente contiene più del 10% di materia organica e può essere finemente laminato. Nello schema accanto la distribuzione mondiale di carboni fossili; non è stata inclusa l'Antartide.

Con l'aumentare della profondità aumenta anche la temperatura e il materiale organico subisce una maturazione, cioè una eliminazione graduale dei componenti, aumentando sempre più la quantità di carbonio passando dalle torbe alle ligniti, ai litantraci fino alle antraciti dove il contenuto di carbonio raggiunge il 95% e quindi il suo potere calorifico è molto più alto; è per questo che le antraciti sono il tipo di carbone più pregiato. Se il materiale subisce una ulteriore eliminazione delle particelle rimarrà solo carbonio puro che da vita alla grafite che non trova un impiego come combustibile.
Il processo che porta dalla pianta vegetale alla formazione di antracite naturalmente è lunghissimo e può richiedere diversi milioni di anni, se non centinaia di milioni per la sua attuazione. Nel caso che movimenti tettonici riportino il materiale in superficie il processo di maturazione del carbone si arresta immediatamente e il materiale inizia a degradarsi. Questo rappresenta infatti un problema nelle cave a cielo aperto o in miniere a bassa profondità.
In figura accanto una cava a cielo aperto di litantrace, Bowen Australia; sotto le fasi di formazione: nella prima si accumulano i resti, poi vengono ricoperti dai sedimento portati dall'innalzamento marino; successivamente il mare si ritira e ricomincia il ciclo fino a quando non si completa la maturazione nel corso di milioni di anni.