大多数天然钻石在地幔中结晶，当含碳流体或熔体遇到适合的压力、温度和缺氧化学条件时。在古大陆的冷却厚实根部，碳可以进入钻石稳定场，并排列成赋予钻石特性的刚性立方晶格。

大多数宝石级钻石是岩石圈钻石，形成于克拉通地幔根部表面以下约150–250公里处。一个较小但科学上重要的群体，被称为超深钻石，形成于更深的过渡带和下地幔。这些钻石是来自人类无法直接采样区域的稀有信使。

钻石的生长可以发生在橄榄岩或辉石岩环境中。由俯冲引入的富碳流体，或在交代作用过程中穿过地幔岩石的含碳酸盐熔体，可能达到饱和并沉淀出钻石。因此，钻石不仅是一种宝石；它还是碳通过地球内部转移的记录。

钻石主要通过罕见的富挥发物火山岩——金伯利岩，以及某些环境下的橄榄岩到达地表。这些岩浆从古老大陆区域下方的地幔源区汲取物质，并通过垂直或胡萝卜形岩管快速上升。快速上升至关重要：如果运输过慢，钻石更可能被溶解、改变或失去其地质完整性，无法到达较浅层。

历史记录中没有直接目击过金伯利岩喷发，因此科学家通过岩管、角砾岩、火山纹理、实验和模型重建其行为。明确的是，含钻石的喷发异常、剧烈且地质上快速。

许多钻石极为古老，通常在10亿至35亿年之间。它们的年龄通常通过Rb–Sr、Sm–Nd或Re–Os等系统对矿物包裹体进行间接测定。这些包裹体揭示了与地幔交代作用、克拉通演化和俯冲相关碳循环相关的钻石生长事件。

包裹体还可以保存表面不稳定的矿物，除非被钻石保护。正是这种保护使钻石成为科学胶囊，将深地碎片封存在坚硬透明的壳中。

钻石品种受微量元素、结构缺陷、变形、辐射暴露、生长环境和晶体聚合的影响。宝石学家使用钻石类型系统描述氮和硼含量，而颜色分级则区分正常范围的无色至浅色钻石与彩色钻石。

最具视觉冲击力的钻石颜色往往不仅仅由简单杂质决定，而是由晶格中的精确缺陷造成。蓝钻与硼相关；许多黄钻与氮相关；粉红和红钻与塑性变形相关；绿钻与辐射相关的空位中心相关。

实验室培育钻石与天然钻石具有相同的基本化学成分和晶体结构：碳以钻石晶格排列。区别在于来源。天然钻石生长于地幔；实验室钻石在受控技术环境中结晶。

两种主要生长方法占主导。HPHT生长利用高压高温在模拟地幔稳定性的条件下从碳中结晶钻石。CVD生长则通过碳含气体（通常是甲烷和氢等离子体）逐原子沉积碳到钻石种晶板上。