在大洋海底和陆上冻土带内储量巨大的天然气水合物矿藏究竟是如何形成的？形成水合物的天然气究竟来自哪里？人们一定会对这些问题的答案非常好奇，其实这也曾经困扰着广大的科学研究人员。但是也只有彻底解释了这些疑问，才有可能合理高效地开采天然气水合物矿藏。天然气水合物的形成首先需要液体水和气态的天然气，其次需要一定的温度和压力控制条件，其间涉及复杂的物理和化学反应过程，而且海底沉积物、海水的pH值、海水含盐种类和浓度等均会影响水合物的形成。科学家通过大量实验模拟了天然气水合物的形成过程，发现水合物的生成机理相当复杂，特别是至今仍未能解释水合物的微观形成机理。
海洋水合物形成所需的水来自于大海，而在深度超过100米的海底区域大多满足水合物形成所需温度和压力条件，那么海底富含烃类的天然气究竟来自哪里？科学家认为形成水合物的甲烷等烃类气体一般有三种来源，分别是生物成因、热成因和两种成因的共同作用。生物成因认为海底甲烷类气体多来自于海底生物或有机质的厌氧分解过程。在深海摄像勘探中发现，水合物矿藏附近伴生有大量的蛤、蟹等生物；乌克兰的科学家叶戈罗夫博士在黑海海底的勘探过程中也发现了冒泡甲烷孔附近有大量的死菌层。经过大量的科学反演实验，人们发现海底沉积层中的甲烷类气体可由海底生物死亡后分解产生。热成因认为海底甲烷类气体主要来自于地球内部。地球形成过程中大量的甲烷气体被吸入到其地壳下部的岩石中，由于地球地壳的板块活动，深海沉积层下部的温度升高，使得地壳（甚至地幔）岩层产生化学反应而释放出大量的甲烷类气体。生物成因和热成因则认为海洋底部天然气水合物中的甲烷类气体源来并不单一，而是这两者共同作用的结果。天然气气泡在地壳沉积层孔隙里逐渐生长、链结，最终产生足够的浮动力沿裂隙等地质构造往海底上移，在温度降低而压力又合适的海底区域，水合物便在沉积层中形成。
在深海海水环境下，由于氢氧根和硫酸根等氧化剂的存在，即使温度和压力条件合适，也不一定会存在稳定的天然气水合物矿藏。海洋地质勘探结果表明，当水深小于200米时，不会有天然气水合物矿藏的稳定存在；当水深大于1000米时，生成的天然气水合物比较稳定；在水深在200～1000米时，如果该海域沉积物内度较低，也有可能存在有稳定的水合物矿藏。总的来讲，海洋沉积层内形成天然气水合物矿藏的条件为：第一，海水足够深，有足够的压力使天然气水合物稳定。第二，海底沉积层厚度足够大，能蕴涵大量的甲烷类气体。第三，海底沉积层内有充分的甲烷气来源。第四，海底条件适合保存天然气水合物。以上四点对于天然气水合物矿藏的稳定缺一不可。
从地质学上看，天然气水合物所储存的区域多是新生代沉积物，沉积层内天然气水合物形状有分散状、结核状、团块状和层状四种类型。我国南海神狐海域采出的天然气水合物矿藏样品就是以分散状态胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒；在墨西哥湾底部绿色峡谷中勘探采出了直径为5厘米的结核状天然气水合物；在布莱克－白哈马海底山脉发现的水合物晶核则为层状，其分散于沉积物的各薄层中；日本海区域采集到的天然气水合物样品为团块状，而马更些三角洲采集到的天然气水合物则是以细脉状、网脉状充填于沉积物的裂隙之中。根据以往的研究，天然气水合物的晶核一旦出现，水合物的生成就非常迅速，德国科学家曾经在海底天然气水合物摄像勘探中有幸见到了水合物快速形成的过程，但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年以上。