Der Kalkkreislauf beschreibt die chemischen Umwandlungen vom Kalkstein über Branntkalk und gelöschten Kalk bis zurück zum Calciumcarbonat. Die drei wesentlichen Schritte sind Brennen, Löschen und Karbonatisieren.

Ausgangspunkt ist Kalkstein, der überwiegend aus Calciumcarbonat (CaCO₃) besteht. Beim Brennen wird Kohlendioxid (CO₂) ausgetrieben und es entsteht Calciumoxid (CaO), der sogenannte Branntkalk:

Calciumcarbonat → Calciumoxid + Kohlendioxid
CaCO₃ → CaO + CO₂

Anschließend wird der Branntkalk mit Wasser gelöscht. Dabei entsteht unter starker Wärmeentwicklung Calciumhydroxid Ca(OH)₂, der gelöschte Kalk:

Calciumoxid + Wasser → Calciumhydroxid
CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Je nach Löschverfahren und Wassermenge kann daraus beispielsweise Kalkhydrat, Kalkteig oder Sumpfkalk hergestellt werden.

Wird Calciumhydroxid als Bindemittel in Kalkmörtel, Kalkputz oder Kalkfarbe verarbeitet, beginnt die Karbonatisierung. Der Kalk nimmt Kohlendioxid aus der Luft auf und wird wieder zu Calciumcarbonat:

Calciumhydroxid + Kohlendioxid → Calciumcarbonat + Wasser
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Damit entsteht wieder die chemische Verbindung, die am Anfang des Kalkkreislaufs im Kalkstein vorhanden war.

Für die Karbonatisierung sind Kohlendioxid und geeignete Feuchtebedingungen erforderlich. Zu schnelles Austrocknen oder eine sehr dichte Beschichtung können den Vorgang beeinträchtigen.

Der Kalkkreislauf findet sowohl bei Luftkalk als auch bei natürlich hydraulischem Kalk (NHL) statt. Bei NHL entstehen aufgrund der natürlichen Zusammensetzung des Ausgangsgesteins beim Brennen zusätzlich hydraulisch reagierende Verbindungen. Deshalb wirken bei NHL hydraulische Erhärtungsreaktionen und die Karbonatisierung des freien Kalkes zusammen.