石炭の主な起源は，陸上植物の遺骸が腐りきらずに積み重なってできた泥炭だと考えられています。泥炭層が地表で形成されたのち，地殻変動と堆積作用によって地下深くに埋没すると，地熱と圧力により，長い年月をかけて泥炭～褐炭（かったん）～瀝青炭（れきせいたん）～無煙炭の順に石炭化が進みます（図1）。そのうち炭田として開発できるのは，いったんは地下で長い時間を経て石炭化した地層が，その後の隆起と侵食により採掘可能な深さまで戻ったところです。なお，発熱効率のよい瀝青炭や無煙炭が，石炭の主用途である発電や製鉄に用いられます。

図1 石炭層の生成過程

石炭は，古生代後半から新生代にかけての地層から採掘され，なかでも古生代後半の石炭紀（3.6～3.0億年前）の地層に多く含まれています。生命が陸上に進出したのは古生代中頃で，つづくデボン紀にシダ植物が大型化し，石炭紀になると大規模な森林が広がりました。従来，石炭紀に石炭が大量に生成された背景として，このシダ植物の硬い木質層（リグニン）を分解する微生物が当時はまだ進化しておらず，植物の遺骸が腐りにくい状況にあったことがあげられてきました。しかし，最近の研究では，石炭紀にもリグニンは分解されており，それと石炭の生成には関連がないという研究結果も出されており，石炭紀に石炭が多い理由は科学的にまだ解決されていません。

一方，石炭紀に石炭生成のピークがあったとはいえ，それ以降の時代の地層にも，石炭は大量に含まれています。世界最大の埋蔵量（世界の約3割）をもつアメリカでは，かつてはアパラチア山脈周辺の石炭紀の地層からの採掘が多かったのですが，現在は，とくに西部炭田において中生代白亜紀から新生代古第三紀にかけて生成された石炭が大量に採掘されています。日本の炭田において採掘され，かつて日本経済を支えた石炭も，多くは新生代古第三紀のものです。