CO2地质封存涉及三个过程：捕获、运输和封存，这些技术都应用于现今的工业生产中，尽管这些技术最初并非为了CO2的封存而设计。CO2从烟气分离（捕获），液化后通过管线运输至事先选好的封存地。潜在的封存方式包括：地质封存（注入到地下地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造、含咸水地层），海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）或者通过工业流程将其固化成无机碳酸盐。
IPCC于2005年编写的《CO2的捕集和封存特别报告》对上述三个过程及潜在的封存方式有详细的描述，国内相关领域的科学家也对相关技术有过多篇综述，如文冬光等（2005年）阐述了CO2地质处置研究现状并提出了有关建议；孙枢院士（2006年）对CO2地下封存的地质学问题有非常系统的阐述。
CO2的捕获可用于大点源。CO2大点源包括大型化石燃料或生物能源设施。火力发电厂是排放CO2的最大行业。火力发电厂燃烧化石燃料后排放的CO2占全球燃烧同种燃料排放量的30%，大约占全球人类活动排放CO2的24%。因此，排放CO2最多的燃煤电厂成为最具潜力实施CO2捕获的行业。1990年整个欧盟火力发电厂排放的CO2大约为9.5亿吨，这是京都议定书的参考标准。化石燃料的燃烧是在锅炉等工业设备中进行的，这样就比较容易在管道系统中将CO2分离和富集。所以，比较切实可行的办法是首先处理从燃烧化石燃料的发电厂排放的CO2。发电厂中CO2的捕获已经被运用并证明是经济可行的。从大点源捕获CO2经压缩后被运送到事先选择好的封存地点。CO2的管道输送正作为一项成熟的市场技术在运作，在美国，每年有超过2500公里的管道运输了超过4000万吨CO2。
储存地点的正确选择和评估对于确保被封存的CO2长期留存在地质结构中至关重要。潜在的CO2地下储存场所是废弃的石油和天然气田以及深部含咸水地层。这些储层可以储存相当于几十年甚至上百年全球所排放的CO2总量。在深层、陆地或沿海地质构造封存CO2使用的技术基本相同，这些技术已经由石油和天然气行业开发出来，并且已经证明在特定条件下是经济可行的。对于封存于无法开采的煤层而言，国内外对CO2增采煤层气技术（CO2-ECBM）的报道很多。如刘延锋等（2005年）就对中国CO2煤层储存容量进行了初步评价，但这些技术的可行性尚未经证实。
根据现有证据推算，基本上可以肯定全世界的CO2地质封存能力有2000亿吨，而且，可能至少有大约2万亿吨的CO2封存能力。这意味着，在一系列基准情景状态下，CO2地质封存贡献了2100年以前世界努力累积减排量的15％～55%。这一推算给出的还是相对保守的数字，因为深部含咸水地层的地质封存可能还有大得多的潜力，但对其容量的认知由于缺乏信息及不一致的方法，还不如对油气储层容量的认知充分。正因为有这样巨大的潜力，世界上正在整合现今所有相关知识，对CO2地质封存可能造成的环境影响、渗漏风险做出评估，并希望通过某些法律框架来推进CO2地质封存的尽早实施，或至少是将其纳入某个减缓组合，以降低、稳定CO2浓度的成本。
