Pamukkale travertenlerinin oluşum süreci, yer altındaki termal suların yer yüzüne ulaşırken geçirdiği çeşitli kimyasal dönüşümlerle şekillenir. Bu doğal yapılar, içerdiği minerallerin suyun yüzeye çıkmasıyla birlikte gerçekleştirdiği karmaşık reaksiyonlar sonucunda ortaya çıkar. Kalsiyum bileşenlerinin havayla etkileşimi ve suyun fiziksel koşulları, travertenlerin beyaz katmanlarının oluşumunu etkileyen önemli unsurlardandır.

Pamukkale travertenlerinin oluşumunda gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar şunlardır:

• Kalsiyum bikarbonatın (Ca(HCO3)2) kalsiyum karbonata (CaCO3) dönüşmesi. Termal su yüzeye çıktığında havadaki atmosferik basınç farkı nedeniyle içindeki karbondioksit (CO2) gazı açığa çıkar. Gazın uçmasıyla birlikte suyun pH değeri yükselir ve kalsiyum karbonat çökelmeye başlar.
• Ca(HCO3)2 + O2 → CaCO3 + CO2 + H2O.

Çökelti ilk etapta jel halindedir. Beyazlığın oluşumunda hava şartları, ısı kaybı, akışın yayılımı ve süresi etkilidir. Çökelme, termal sudaki karbondioksit, havadaki karbondioksit ile dengeye gelinceye kadar devam eder. Travertenlere termal su kontrollü olarak belirli bir program dahilinde verilmektedir. Fazla miktarda ve uzun süre aynı yere akıtılan termal su yosunlaşmaya ve beyaz traverten alanlarında hoş olmayan görüntüye sebep olmaktadır.