Der Karmelenberg ist ein durch vulkanische Tätigkeit entstandener bewaldeter Schlackenkegel. Er markiert das südöstliche Ende des Osteifeler Vulkanfeldes und erhebt sich bei einer Höhe von 372 m ü. NHN als weithin sichtbare Landmarke etwa 170 m über die Pellenz.
Im UNO-Jahr der Berge (2002) war der Karmelenberg Berg des Monats Juni in Deutschland. Ein Gedenkstein erinnert an die Proklamation am 21. Juni 2002.
Im Rahmen des Vulkanparks (Station 21) ist der Berg touristisch erschlossen. Diverse Informationstafeln informieren sowohl über die vulkanische Vergangenheit als auch über die Marienkapelle auf dem Gipfel.
Der heutige Name bezieht sich auf den Berg Karmel, einen Berg des Karmelmassivs im Nordwesten Israels.
Der gesamte Schlackenkegel des Karmelenbergs ist Naturschutzgebiet.
Der Schlackenkegel des Karmelenbergs ist Teil einer Vulkangruppe mit zehn Ausbruchszentren, die vor etwa 350.000 bis 300.000 Jahren aktiv war. Neben dem Karmelenberg-Hauptgipfel zählen dazu der Schweinskopf und die sog. Oberholzgruppe, von der aber keine Überreste mehr erkennbar sind. Der Schweinskopf ist durch Abbau nahezu völlig abgetragen.
Die Karmelenberggruppe liegt teilweise auf dem Randbruch des Neuwieder Beckens. An der Nordseite ist der aus Hunsrückschiefern bestehende devonische Untergrund um etwa 100 m abgesenkt. An der Südseite liegen Flussschotter der Ur-Mosel. Die drei vom Karmelenberg ausgetretenen Lavaströme sind von Bims und Löß überdeckt.
Der heute noch sichtbare große Steinbruch entstand im 20. Jahrhundert. Die hohen senkrechten Wände des Aufschlusses entstanden durch eine spezielle, sehr riskante Abbautechnik. Beim sog. Hohlmachen wurde am Fuß der Wand zunächst ein niedriger Hohlraum gehauen und mit Holz abgestützt. Nach dem Wegsprengen der Holzstützen brach die Wand großflächig nach unten weg.
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