ความกังวลที่สำคัญกับ CCS คือว่าการรั่วไหลของ CO2 ที่ถูกเก็บไว้จะลดค่าของ CCS ในการเป็นตัวเลือกของการบรรเทาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงทางภูมิอากาศหรือไม่ สำหรับสถานที่จัดเก็บทางธรณีวิทยาที่ถูกเลือก, ได้รับการออกแบบและบริหารมาแล้วอย่างดี IPCC คาดการณ์ว่าความเสี่ยงทั้งหลายจะเปรียบเทียบได้เท่าเทียมกับพวกที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมไฮโดรคาร์บอนในปัจจุบัน[42] แม้ว่าบางคนอาจตั้งคำถามถึงสมมติฐานนี้ว่าเป็นการอ้างอิงที่ไม่มีหลักเกณฑ์ที่ขาดประสบการณ์ในการจัดเก็บระยะยาวเช่นนั้น[43][44] CO2 จะถูกขังอยู่เป็นล้าน ๆ ปีและถึงแม้ว่าจะมีการรั่วไหลเกิดขึ้นบ้างผ่านชั้นดินขึ้นไป สถานที่จัดเก็บที่ถูกเลือกไว้อย่างดีมีแนวโน้มที่จะเก็บกักได้มากกว่า 99% ของ CO2 ที่ฉีดลงไปได้มากกว่า 1000 ปี[45] การรั่วไหลผ่านท่อฉีดเป็นความเสี่ยงมากกว่าเสียอีก[46]

แม้ว่าท่อฉีดมักจะมีการป้องกันด้วยวาล์วที่ไ​​ม่ย้อนกลับเพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซไหลกลับตอนไฟฟ้าดับก็ตาม มันยังคงมีความเสี่ยงที่ท่อสามารถฉีกขาดและรั่วเนื่องจากความดัน เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ Berkel en Rodenrijs ในเดือนธันวาคม 2008 เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ปล่อย CO2 ปริมาณปานกลางจากท่อใต้สะพานส่งผลให้เกิดการเสียชีวิตของเป็ดบางตัวที่อาศัยอยู่ใต้นั้น[47] เพื่อที่จะวัดการรั่วไหลของคาร์บอนเนื่องจากอุบัติเหตุอย่างถูกต้องมากขึ้นและเพื่อลดความเสี่ยงจากการเสียชีวิตเนื่องจากการรั่วไหลชนิดนี้ มีการเสนอให้มีการติดตั้งเครื่องมือวัดการแจ้งเตือน CO2 รอบบริเวณโครงการ ความผิดปกติของระบบดับเพลิงอุตสาหกรรมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในคลังสินค้าขนาดใหญ่ทำให้มีการรั่วไหล CO2 ออกมาและประชาชน 14 รายทรุดตัวลงกับพื้นบนถนนสาธารณะใกล้เคียง การรั่วไหลของ CO2 จากเหมืองเกลือสามารถทำให้ประชาชนเสียชีวิตในรศมี 300 เมตร[48]

ในปี 1986 การรั่วไหลขนาดใหญ่ของ CO2 ที่ถูกเก็บกักไว้ตามธรรมชาติออกมาจากทะเลสาบ Nyos ในประเทศแคเมอรูน และทำให้ประชาชนหมดสติไป 1,700 คน ในขณะที่คาร์บอนได้รับการจัดเก็บตามธรรมชาติ บางคนชี้ไปที่เหตุการณ์ที่เป็นหลักฐานสำหรับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากภัยพิบัติของการเก็บกับคาร์บอนแบบเทียม[49] ภัยพิบัติที่ทะเลสาบ Nyos เป็นผลมาจากเหตุการณ์ภูเขาไฟที่ปล่อยออกมาทันทีมากถึงหนึ่งลูกบาศก์กิโลเมตรของก๊าซ CO2 จากบ่อของ CO2 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติภายใต้ทะเลสาบในหุบเขาลึกแคบ ๆ สถานที่ตั้งของบ่อ CO2 นี้ไม่ได้เป็นสถานที่ที่คนจะสามารถฉีดหรือจัเก็บ CO2 และบ่อนี้ไม่เป็นที่รู้จักหรือไม่ได้มีการตรวจสอบจนกระทั่งหลังการเกิดภัยพิบัติทางธรรมชาติ

สำหรับการจัดเก็บในมหาสมุทร, การจัดเก็บ CO2 จะขึ้นอยู่กับความลึก IPCC ประมาณว่าจะเหลือเพียง 30-85% ของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกเก็บไว้จะถูกกักขังไว้หลังจาก 500 ปีที่ความลึก 1,000-3,000 เมตร การจัดเก็บแร่ไม่ได้พิจารณาถึงความเสี่ยงใด ๆ ที่เกิดจากการรั่วไหล IPCC แนะนำว่าข้อจำกัดควรกำหนดปริมาณการรั่วไหลที่สามารถเกิดขึ้นได้ ซึ่งการกำหนดเช่นนี้อาจตัดทิ้งการจัดเก็บในมหาสมุทรในการเป็นตัวเลือก

ในกรณีของมหาสมุทรลึก (ประมาณ 400 บาร์หรือ 40 เมกะปาสคาล, 280 K) การผสมระหว่างน้ำกับ CO2 (ลิตร) อยู่ในระดับต่ำ'มาก' (ในจุดที่การก่อเกิดคาร์บอเนต/การเปลี่ยนเป็นกรด เป็นอัตราที่มีขั้นตอนจำกัด) แต่การก่อตัวของไฮเดรตของน้ำกับ CO2 ซึ่งเป็นกลุ่มน้ำของแข็งที่ล้อมรอบ CO2 ขนิดหนึ่ง เกิดขึ้นได้ง่าย

เพื่อตรวจสอบให้มากขึ้นด้านความปลอดภัยของการเก็บกัก CO2, สามารถศึกษาได้จากแหล่งก๊าซธรรมชาติ Sleipner ของนอร์เวย์ เนื่องจากมันเป็นโรงไฟฟ้าที่เก่าแก่ที่สุดที่เก็บ CO2 ในระดับอุตสาหกรรม ตามการประเมินด้านสิ่งแวดล้อมของแหล่งก๊าซธรรมชาติซึ่งได้ทำการประเมินหลังจากสิบปีของการดำเนินงาน ผู้เขียนยืนยันว่า การเก็บกักใต้ดิน (อังกฤษ: geosequestration) ของ CO2 เป็นรูปแบบที่ชัดเจนที่สุดของการจัดเก็บ'ทางธรณีวิทยา'อย่างถาวรของ CO2:

ข้อมูลทางธรณีวิทยาที่มีจะแสดงการหายไปของเหตุการณ์เปลือกโลกที่สำคัญ (อังกฤษ: major tectonic events) หลังจากการสะสมทับถมของการก่อตัวที่ Utsira นอร์เวย์ [อ่างเก็บน้ำเกลือ] นี่ก็หมายความเป็นนัยว่าสภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยามีความมั่นคงแบบธรณีวิทยาแปรสัณฐาน (อังกฤษ: tectonically stable) และเป็นสถานที่ที่เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การเป็นกับดักแบบสารละลายเป็นรูปแบบที่ถาวรและมีความปลอดภัยมากที่สุดในการจัดเก็บใต้พื้นธรณี[50]

ในเดือนมีนาคม 2009 บริษัท StatoilHydro เผยแพร่ผลการศึกษาที่แสดงให้เห็นถึงการแพร่กระจายอย่างช้า ๆ ของ CO2 ในโพรงกักเก็บหลังจากการดำเนินการมากว่า 10 ปี[51]

เฟสที่ 1 ของโครงการก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ Weyburn-Midale ใน Weyburn, Saskatchewan แคนาดาได้กำหนดว่าโอกาสของการรั่วไหล CO2 ที่ถูกเก็บไว้จะไม่เกินร้อยละหนึ่งใน 5,000 ปี[52] อย่างไรก็ตาม ในรายงานเดือนมกราคม 2011 อ้างถึงหลักฐานของการรั่วไหลในผิวดินเหนือโครงการนั้น[53] รายงานนี้ถูกโต้แย้งอย่างมากโดยโครงการจัดเก็บและการตรวจสอบ CO2 ของ IEAGHG Weyburn-Midale ที่ได้เผยแพร่บทวิเคราะห์แปดหน้าของการศึกษาที่อ้างว่ามันไม่ได้แสดงให้เห็นถึงหลักฐานของการรั่วไหลจากแหล่งเก็บ[54]

ความรับผิดของการรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้นเป็นหนึ่งในอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดกับ CCS ขนาดใหญ่ เพื่อที่จะประเมินและลดภาระดังกล่าว การรั่วไหลของก๊าซที่เก็บไว้โดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่ชั้นบรรยากาศอาจถูกตรวจพบโดยการตรวจวัดก๊าซในชั้นบรรยากาศและสามารถวัดปริมาณได้โดยตรงโดยการวัดฟลักซ์แปรปรวน (อังกฤษ: eddy covariance flux)[55][56][57]