Die Entstehung des Berges ist auf eine Reihe vulkanischer Tätigkeiten zurückzuführen, die vor etwa 300.000 Jahren die Landschaft prägten. Die bei den verschiedenen Eruptionen sich ergießenden Lavaströme sind als Karmelenberggruppe in der Fachliteratur beschrieben und erstrecken sich ca 3,5 km in Richtung Saffig. Mehrere Erhebungen dieser vulkanischen Aktivitäten sind auch um Bassenheim sichtbar (z. B. der Birkenkopf, 284 m hoch). Das Innere des Karmelenberg-Schlackenkegels ist im stillgelegten Steinbruch, in dem von etwa 1830 bis 1940 Lava abgebaut wurde, deutlich zu erkennen und für Besucher auf Informationstafeln anschaulich beschrieben.
Seit 1981 ist der Karmelenberg als Naturschutzgebiet ausgewiesen. Bereits 1941 wurde er unter Landschaftsschutz gestellt. Hinzu kommt die Unterschutzstellung als Denkmalzone „Kapelle auf dem Karmelenberg“ des Gebietes mit ca 350 m Durchmesser rund um die Marienkapelle. Diese Zone umfasst somit den gesamten Bergkegel.
Trotz seiner eher bescheidenen Höhe ist der Karmelenberg aus allen Richtungen deutlich sichtbar, ein Wahrzeichen unserer Heimat (s. unten). Wer den Berg von Bassenheim aus erwandern will, hat immerhin 180 m Höhenunterschied zu überwinden.