CCS的最后阶段是对捕集的CO₂进行处理使之与大气长期隔绝，防止其重新进入大气，该过程称为CO₂的封存过程。CO₂封存原则：(1) 封存必须安全；(2) 环境影响最小；(3) 封存地点可监测。根据IPCC (2005) 有关CCS的特别报告指出，目前CO₂的封存方法主要分为4大类：地质封存、海洋封存、矿石碳化和工业利用。

       地质封存：是把CO₂压缩至超临界状态（温度高于31.1℃，压力大于7.38MPa），然后注入地下的地质构造当中，利用地层封闭和吸附保存CO₂实现大量CO₂的永久封存。地质封存必须满足三个条件：有厚而渗透度低的岩石层、一个有适当位置和深度的封闭构造以及良好的储存层。地质封存是目前可行性最高的封存技术，且封存成本最低 (0.5~8$/t)。比较适合CO₂地质封存的场所有：枯竭的油藏储、废弃的油气田、天然气储层、深部咸水层和不可采煤层等。

       适合CO₂封存的深部咸水层一般是深度在800m以上含盐的、没有利用价值、有时用于存放化学废弃物的蓄水层。咸水层封存的主要优点是储存容量巨大且地理分布较广，CO₂的运输较为方便。但咸水层封存CO₂并不能产生任何经济价值，会提高封存成本。而且人们一直对深部咸水层封存CO₂是不是会发生泄漏等安全问题存在疑问，不过最近有关的研究表明有几种吸附机理可使CO₂固定在盐层下。地质封存另一种方法是再利用捕集的CO₂，即将捕集的CO₂注入将要枯竭的油藏以提高油田的石油采收率 (EOR)。EOR法通过向油藏注入CO₂既可以提高原油的开采量，又可以将部分CO₂封存于油井中减少其向大气的排放。EOR的原理是：将高压CO₂注入油田后与原油形成混合物，把原油推入生产油井，一部分CO2会随原油一起被采出地面，然后经过油气分离、重新加压，与补充的CO2再重新注入油田中使用。这是一项目前较为成熟的技术，美国在20世纪70年代就已有商业化应用。基于同样的思想，由于CO₂可吸附于煤层表面，不可采的煤层也可用于封存CO₂，但该技术的可行性取决于煤床的渗透性。在CO₂封存过程中会产生CH₄气体，回收利用产生的气体，这就是煤层气回收增强技术 (ECBM)。目前该技术正在工程实验中。这种CO₂封存技术比较具有吸引力，因为可以出售回收的原油或CH4气体从而获得利益部分补偿CCS成本，但缺点是适合CO₂封存的油田或煤层的地理分布不均，且封存能力有限。

       海洋封存：另一个潜在的CO₂封存方案是将捕集的CO₂直接注入到海洋。目前CO₂的海洋封存方式主要有两种，一种是稀释溶解法：将CO₂注入到1000米以上的海洋中，使其自然溶解；另一种是深海隔离法：将CO₂注入3000米以上的海洋中，由于CO₂的密度大于海水，会在海底形成固态的CO₂水化物或液态的CO₂ “湖”。CO₂在海底大量溶解后，长时间内对海洋生物和生态系统所产生的慢性影响以及会不会对海底环境的产生危害等问题都有待研究。所以目前CO₂的海洋封存仍处于研究阶段，尚未进入实际应用，也没有小规模的试点示范。

       矿石碳化：CO₂在一定条件下可与金属氧化物发生反应，形成对环境无害的固态物质，从而将CO₂永久性的固化封存。矿石碳化过程是自然界中非常缓慢的自发过程。因此目前矿石碳化方法研究重点是如何加快其反应速度。同时考虑到碳化封存的稳定性和成本，其成本是最高的 (50~100$/t)，其大规模应用前景尚不明确。考虑到工业利用的CO₂量较少且封存时间短暂，可以说明工业利用封存的CO₂量对减缓气候变化的贡献不大。