Il territorio comunale è prevalentemente costituito da rilievi poco marcati anche se con morfologia spesso aspre con pareti verticali soprattutto in corrispondenza delle zone carsificabili. Il carsismo è quel fenomeno che porta alla dissoluzione delle rocce carbonatiche, creando delle forme particolari sia in superficie che nel sottosuolo.

I tipici fenomeni caratteristici del carsismo superficiale non sono molto frequenti, sono presenti solo rare doline di dimensioni contenute, anche i fenomeni di microcarsismo tipo karren sono poco sviluppati, si osservano soprattutto fori e scannellature neu versanti settentrionali, probabilmente a causa della prevalenza di calcari e dolomie di elevata compatezza e alla fratturazione sub-verticale che caratterizza la tettonica del Sulcis-Iglesiente; a ciò va sommato il clima caldo che provoca la rapida evaporazione dell'acqua piovana ostacolandone l'interazione chimico-fisica con il terreno. Più comuni e diffuse le morfologie legate alla presenza di vegetali che danno origine alle vaschette di corrosione (kamenitze).

Attualmente sono censite dal punto di vista speleologico ben 198 cavità naturali, anche se il numero è sensibile di aumento, perlopiù distribuite nelle formazioni carsificabili, calcari ed in subordine dolomie. Non mancano esempi di paracarso con una decina di cavità anche di sviluppo apprezzabile formatesi nelle "quarziti", ed esempi di pseudocarso con cavità di origine tettonica e/o di erosione nelle rocce vulcaniche dell'area del Monte Crobu.

In generale si può affermare, come livello di carsificazione del territorio, sia ben superiore a quanto conosciuto, come del resto lascia intravedere il numero delle crovasse senza comunicazione naturale con la superficie intercettato dalle coltivazioni minerarie.

Analizzando l'insieme delle cavità naturali ubicate nel comune di Carbonia appare evidente una netta predominanza di quelle ad andamento sub-orizzontale con prevalenti morfologie tettoniche poi alterate dalla circolazione idrica sotterranea con ampi ambienti generatisi per crolli lungo le intersezioni dei maggiori sistemi di faglie e fratture e frequenti salti verticali. Morfologie del resto comuni alla maggior parte delle grotte conosciute nel bacino del Sulcis-Iglesiente. Sono comunque presenti morfologie da scorrimento idrico di tipo vadoso e freatico con le derivanti forme da corrosione ed erosione idrica.

Tra le grotte ricordiamo Sa Domu' e S'Orcu (la casa dell'orco) nel versante sud del monte Tasua che è in assoluto il sistema carsico più esteso fino ad oggi esplorato nel territorio comunale, con uno sviluppo spaziale di poco superiore al chilometro ed una profondità di -104 metri. Si presenta come una grande cavità sub-verticale impostata su una grossa frattura, ampliata da fenomeni graviclastici, che si ferma in corrispondenza di un livello di falda dando vita ad un fangosissimo laghetto pressoché perenne, che si sviluppa su una superficie di una quarantina di metri quadri.

Nella valle carsica del Rio Cannas, dove è oggi la più alta concentrazione di fenomeni carsici ipogei conosciuti, ricordiamo la Grotta dei Fiori , con 680 metri di sviluppo, utilizzata durante la seconda guerra mondiale come rifugio durante i bombardamenti degli alleati: conserva un'importanza scentifica rilevante per i numerosi reperti umani (pre-nuragico e nuragico) rinvenuti, per le brecce ossifere a Prolagus Sardus che hanno consentito una parziale ricostruzione dell'organismo, (conservata presso il Museo Civico di Paleontologia e Speleologia "Martel"), e il rinvenimento di esemplari di fauna ipogea tra i quali una specie unica di formica cieca. Inoltre la cavità viene utilizzata come grotta nursey da una numerosa colonia di Chirotteri.

La Grotta dei Geotritoni, con 580 metri di sviluppo è una complessa cavità meandriforme con estesi ambienti freatici, funge da sistema di troppo pieno per l'alveo sotterraneo del Rio Cannas che vi scorre parallelo. All'interno è stata individuata una colonia di una nuova sottospecie di Hydromantes (geotritone) propria dell'areale sulcitano. Sono inoltre da menzionare: le Grotte della Campana n° 1 (230 m di sviluppo) e n° 2 (358 m), la la Grotta di Bacu Arru o delle Anfore, che hanno restituito reperti archeologici di epoche pre-nuragica e nuragica in parte conservati nel Museo Archeologico cittadino; Sa Grutta Strinta (270 metri) e la Grotta prima di Beghe Forru (378 metri), complesse cavità con belle concrezioni parietali ed eccentriche e reperti paleontologici.
In prossimità dell'abitato di Barbusi si trova l'importante Grutta 'e Corona sa Craba, con uno sviluppo di 250 metri nelle cosiddette "quarziti": presenta al suo interno notevoli depositi di guano e delle rare nonchè splendide cristallizzazioni di Barite tabulare di colore azzurro ricoperte in condizioni vadose da concrezioni aragonitiche.

Queste associazioni cristalline sono frequenti anche nei calcari in prossimità di Barega nella Grotta Eraldo, nella Crovassa di Barega, e nella Grutta de is Ominis, dove in un vasto salone lungo 130 metri oltre una quarantina di stalagmiti sono contornate da un bellissimo paleo-livello idrico concrezionato.
Nella valle del Canale Peddori è ubicato l'importante sito archeologico del riparo sotto roccia di Su Carroppu (Sirri) che ha restituito resti umani e reperti riconducibili al VI millennio a.c. (Neolitico Antico).