天然大理石是較純的石灰石或白云巖在地質年代中經高溫高壓變質后留下的產物，而石灰巖和白云巖則是海洋環境下形成的沉積巖。地下深處劇烈的巖漿活動會導致地質運動的發生，而劇烈的地質運動繼而會在地球較淺出產生高達1500度的高溫和巨大的壓力，足以使石灰巖和白云巖等沉積巖發生明顯的變質作用。結果，石灰石白云巖富含的方解石的物理形態遭到實質性的變化，最終形成我們如今看到的大理石。天然大理石中的晶體尺寸大小各異，通常只有含細小晶體顆粒的大理石才能用作建筑材料。