Det er ikke nok at udvinde og opsamle CO2. Den skal også lagres og holdes isoleret fra atmosfæren, i princippet i uendelig lang tid. Ellers vil man blot udskyde de klimaændringer, en stigende CO2-koncentration i atmosfæren uundgåeligt vil medføre. Selv på kortere sigt er der risiko for uventede lækager fra CO2-lagre, og sikkerheden vil i høj grad afhænge af kvaliteten af de udvalgte lagre.

Der forskes i øjeblikket i flere forskellige lagermuligheder. Fælles er, at der skal ske en løbende overvågning af lagrene for at være sikker på, at den nedpumpede CO2 bliver, hvor den er. Der helt uafklaret, hvordan en sådan overvågning skal kunne ske over en længere tidshorisont end nogle få årtier.

Der forskes i øjeblikket i flere forskellige lagertyper. Deponering på bunden af dybhavet i flere kilometers dybde har været på tale, fordi man regner med, at det høje tryk får den nedpumpede CO2 til at lægge sig som en flydende sø på havbunden. Men metoden er usikker og har mødt kraftig kritik på grund af risikoen for negative påvirkninger af havmiljøet gennem forsuring.

Derfor forskes der i øjeblikket mest i deponering i geologiske lag, som er tætte nok til, at den deponerede CO2 ikke slipper op til overfladen igen. Forskellige geologiske formationer er på tale, for eksempel udtømte gas- og oliefelter, hulrum i salthorste eller porøse sandstenslag med tætte lerlag ovenover.

Der er i dag ikke noget overblik over, om det overhovedet er muligt at finde tilstrækkeligt sikre lagringsmuligheder. Der skal nemlig pumpes enorme mængder CO2 ned i undergrunden, hvis det skal give nogen CO2-reduktion af betydning. Man kan frygte, at de høje omkostninger kan føre til, at man slækker på sikkerheden, ligesom det er sket i andre sektorer. Erfaringer fra andre risikoteknologier, for eksempel atomkraft, viser, at det let kan føre til, at den teoretisk mulige sikkerhed for at undgå udslip fra fremtidige lagre bliver kraftigt forringet på grund af de meget høje omkostninger.