Kalksteen, carbonaatgesteente of carbonaatsteen is gesteente dat voornamelijk bestaat uit carbonaatverbindingen en -mineralen. Kalksteen ontstaat door de opeenhoping van (kalkhoudende) stoffelijke overblijfselen van in zee levende organismen. Er kunnen daarom fossielen van zeedieren in voorkomen, zoals schelpen, ammonieten, of koralen. Blauwe hardsteen is bijvoorbeeld een vorm van kalksteen die veel restanten van zeelelies (crinoïden) bevat.
Kalksteen wordt vooral in het warme water van tropische gebieden gevormd met de afzetting van kalkmodder in ondiepe zeeën en kalkskeletten in koraalriffen. Uit tijden waarin het absolute (eustatische) zeeniveau relatief hoog was, zoals het Jura en Krijt, zijn dikke lagen kalksteen afgezet. De reden is dat in die periodes een groot deel van de continenten met ondiepe zeeën bedekt was. Tegenwoordig wordt Mesozoïsche kalksteen onder andere aangetroffen in grote delen van het Middellandse Zeegebied en West-Europa, China, en Noord-Amerika. In Zuid-Limburg en de Haspengouw dagzoomt deze kalksteen deels in de vorm van krijtgesteente, dat "mergel" wordt genoemd. Ook de witte krijtrotsen van Dover bestaan uit krijtgesteente van deze ouderdom. In België komt in de Ardennen op veel plekken kalksteen uit het Devoon en Carboon voor.
In kalksteen treden vaak karstverschijnselen op zoals grotten met druipstenen, dolines, poljes en diepe karstdalen.
