As esmeraldas são uma variedade verde a azul-esverdeada da espécie de gema berilo [Be3Al2 (Si6O18)]. Sua cor pode vir de pequenas quantidades de cromo ou vanádio. Eles são uma gema dura, mas quebradiça, pois as falhas são comuns em sua formação. As esmeraldas se formam naturalmente e por meio de condições criadas pelo homem. As esmeraldas sintéticas às vezes são chamadas de esmeraldas "criadas". Os depósitos de esmeralda são encontrados na Carolina do Norte e Califórnia nos EUA, bem como na Colômbia, Brasil, Argélia e nos Montes Urais. Variedades comuns de esmeralda incluem a esmeralda estrela, a esmeralda colombiana, a esmeralda zambiana, a esmeralda olho de gato, a esmeralda Trapiche e a esmeralda brasileira. Os minerais comuns que se formam ao lado das esmeraldas são quartzo, feldspato e calcita.
As esmeraldas naturais se formam em depósitos pegmatíticos ou veios hidrotermais em ambientes metamórficos. Em uma veia hidrotérmica, os fluidos hidrotérmicos escaparam do magma nas profundezas da crosta terrestre. Quando esses fluidos contêm os elementos específicos que estão nas esmeraldas (como o berílio) e começam a esfriar nas veias de depósito, as esmeraldas começam a se formar.
Nos depósitos pegmatíticos, o magma, em vez dos fluidos hidrotérmicos, é o componente chave na formação das esmeraldas. Quando o magma esfria, os elementos permanecem na solução do fluido remanescente. Quando os elementos certos permanecem e as condições ideais, como resfriamento, surgem, as esmeraldas se formam.
Nesses ambientes, as temperaturas variam de aproximadamente 750 a 930 graus Fahrenheit sob pressões de um a três kilobars (cerca de 7,5 a 21,75 toneladas de pressão por polegada quadrada). O resfriamento leva longos períodos de tempo: as esmeraldas naturais hoje se formaram há centenas de milhões de anos.
Existem dois tipos principais de ambientes de formação esmeralda sintética, hidrotérmico e de crescimento de fluxo. O método hidrotérmico envolve o cultivo de um verniz de esmeralda sobre um berilo em um ambiente ácido e um "nutriente" rico em silício. O produtos químicos são aquecidos a aproximadamente 930 a 1112 graus Fahrenheit a pressões de 700 a 1400 quilobares (5.076 a 10150 toneladas de pressão por polegada quadrada). O ambiente ácido impede que o cromo se separe do meio de cultivo e o nutriente rico em silício é mantido dos outros produtos químicos para impedir o crescimento das esmeraldas.
As esmeraldas de crescimento de fluxo envolvem o cultivo de uma esmeralda sintética sobre um berilo "cristal semente" incolor. Molibdatos, tungstatos e vanadatos são usados para formar um "fluxo". Esses materiais são derretidos. Um berilo é girado e colocado em contato com uma "zona de fusão giratória" e, em seguida, removido. Isso sintetiza o berilo. Inclusões pontiagudas semelhantes a penas se formam freqüentemente neste método de cultivo.