Sắt kim loại trên thực tế không được biết đến trên bề mặt Trái Đất ngoại trừ các hợp kim sắt-niken từ các vẫn thạch và các dạng rất hiếm gặp của xenolith có nguồn gốc sâu từ lớp phủ. Các vẫn thạch sắt được cho là bắt nguồn từ các thiên thể có đường kính trên 1.000 km.[5] Nguồn gốc của sắt có thể truy nguyên tới cùng là hình thành thông qua hợp hạch trong các ngôi sao và phần lớn sắt được cho là phát nguyên từ các ngôi sao sắp tàn và đủ to lớn để sụp đổ hay nổ tung như các siêu tân tinh.[6] Mặc dù sắt là nguyên tố phổ biến thứ tư trong lớp vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 5%, nhưng phần lớn nằm trong các khoáng vật silicat hay hiếm hơn là cacbonat (xem chu trình sắt). Các rào cản nhiệt động lực học để tách sắt tinh khiết ra khỏi các khoáng vật này là khủng khiếp và tiêu tốn năng lượng, vì thế mọi nguồn sắt mà con người sử dụng trong công nghiệp đều được khai thác từ các khoáng vật sắt oxit hiếm hơn, trong đó chủ yếu là từ hematit.

Trước Cách mạng Công nghiệp, phần lớn sắt thu được từ goethit hay quặng đầm lầy có sẵn ở nhiều nơi, chẳng hạn trong Cách mạng Mỹ và Các cuộc chiến tranh của Napoléon. Các xã hội tiền sử sử dụng laterit như là một nguồn quặng sắt. Theo dòng lịch sử, phần lớn quặng sắt mà các xã hội công nghiệp hóa sử dụng đã được khai mỏ từ các khoáng sàng chủ yếu chứa hematit với phẩm cấp khoảng 70% Fe. Các khoáng sàng này thường được nói đến như là "quặng chở tàu trực tiếp" hay "quặng tự nhiên". Nhu cầu quặng sắt gia tăng, cùng với sự cạn kiệt nguồn quặng hematit phẩm cấp cao, đã dẫn tới sự phát triển của các nguồn quặng sắt phẩm cấp thấp, chủ yếu khai thác magnetit và taconit.

Các phương thức khai thác mỏ quặng sắt thay đổi tùy theo loại quặng được khai thác. Có 4 kiểu khoáng sàng quặng sắt chính hiện đang được khai thác, phụ thuộc vào khoáng vật học và địa chất học của khoáng sàng quặng. Chúng là khoáng sàng magnetit, titanomagnetit, hematit khối lớn và đá quặng sắt pisolit.

Thành hệ sắt dải

Đá cổ 2,1 tỷ năm tuổi chỉ ra thành hệ sắt dải.Các viên vê taconit đã gia công với bề mặt oxi hóa màu nâu đỏ được sử dụng trong nghiệp sản xuất thép, với đồng xu 25 xent Mỹ (đường kính 24 mm [0,94 in]) nằm cạnh để so sánh.

Các thành hệ sắt dải (BIF, từ tiếng Anh: Banded Iron Formation) là các loại đá trầm tích chứa trên 15% sắt bao gồm chủ yếu là các khoáng vật sắt tạo thành các lớp mỏng lẫn với silica (như thạch anh). Các thành hệ sắt dải chỉ xuất hiện trong các loại đá Tiền Cambri và nói chung đã biến chất nhiều hay ít. Các thành hệ sắt dải có thể chứa sắt dưới dạng các khoáng vật cacbonat (như siderit hay ankerit), silicat (như minnesotait, greenalit, grunerit), nhưng trong những gì đã khai thác mỏ như là quặng sắt thì các oxit (như magnetit, hematit) là khoáng vật sắt chủ yếu.[7] Tại Bắc Mỹ thì các thành hệ sắt dải được biết đến như là taconit.

Khai thác mỏ bao gồm sự dịch chuyển lượng lớn quặng và chất thải. Các chất thải nằm ở hai dạng là đá móng không quặng trong mỏ (đất đá phủ vỉa hay đất đá xen vỉa, gọi chung là đất đá thải) và các khoáng vật không mong muốn là một phần bên trong của chính đá quặng (đá mạch). Đất đá thải được bóc và chất đống thành các bãi thải, còn đá mạch được chia tách trong quá trình làm giàu và bị loại bỏ như là quặng đuôi. Quặng đuôi taconit chủ yếu là khoáng vật thạch anh, là chất trơ về mặt hóa học. Vật liệu này được lưu giữ trong các hồ lắng lớn được điều tiết nước.

Quặng magnetit

Các tham số chủ đạo để đánh giá xem việc khai thác quặng magnetit có hiệu quả kinh tế hay không là độ kết tinh của magnetit, phẩm cấp sắt trong đá chủ của thành hệ sắt dải và các nguyên tố tạp chất tồn tại trong quặng magnetit tuyển. Kích thước và hệ số bóc của phần lớn các nguồn tài nguyên magnetit là không tương xứng do thành hệ sắt dải có thể dày hàng trăm mét và trải dài hàng trăm kilomet dọc theo đường tấn, và có thể chứa tới trên 3 tỷ tấn quặng.

Phẩm cấp điển hình của sắt mà tại đó thành hệ sắt dải chứa magnetit trở thành hiệu quả kinh tế là khoảng 25% Fe, nói chung có thể đạt được hiệu suất thu hồi magnetit 33-40% tính theo trọng lượng để sản xuất tinh quặng chứa trên 64% Fe theo trọng lượng. Tinh quặng magnetit thường chứa dưới 0,1% photpho, 3–7% silica và dưới 3% nhôm.

Hiện tại quặng magnetit được khai thác ở Minnesota và Michigan ở Hoa Kỳ, miền đông Canada và miền bắc Thụy Điển. Thành hệ sắt dải chứa magnetit hiện tại cũng được khai thác rộng khắp ở Brasil để xuất khẩu một lượng đáng kể sang châu Á – chủ yếu là vào Trung Quốc. Ngành công nghiệp khai thác quặng magnetit tại Australia tuy non trẻ nhưng cũng ở quy mô lớn.

Quặng chở tàu trực tiếp

Các khoáng sàng quặng sắt chở tàu trực tiếp (DSO, từ tiếng Anh: Direct Shipping Ore) (thường là hematit) hiện tại được khai thác trên mọi châu lục, trừ châu Nam Cực, với cường độ khai thác lớn nhất tại Nam Mỹ, Australia và châu Á. Phần lớn các khoáng sàng quặng sắt hematit lớn có nguồn gốc từ các thành hệ sắt dải đã biến đổi và hiếm khi là các tích tụ hỏa sinh.

Các khoáng sàng DSO thường hiếm gặp hơn so với BIF chứa magnetit hay các loại đá khác tạo thành nguồn chính của nó hay đá nguyên thủy, nhưng có chi phí khai thác và gia công rẻ hơn đáng kể do chúng không cần nhiều quy trình làm giàu vì có hàm lượng sắt cao hơn. Tuy nhiên, quặng DSO có thể chứa hàm lượng các tạp chất chịu phạt cao hơn (như Al, Si, As, S, P, Cu, Zn v.v…), thông thường chứa nhiều hơn photpho, nước (đặc biệt là các tích tụ trầm tích pisolit) và nhôm (khoáng vật sét trong pisolit). DSO phẩm cấp xuất khẩu hiện nay có các hàm lượng sắt tiêu chuẩn là các mức tối thiểu 58%, tối thiểu 62%, tối thiểu 63%, tối thiểu 64%, tối thiểu 65% và tối thiểu 66% - do các tham chiếu giá toàn cầu (như Platts, Metal Bulletin, TSI v.v..) thường được đưa ra tại các mức hàm lượng này; nhưng nói chung đa phần nằm trong khoảng 62–64% Fe.

Khoáng sàng quặng magnetit magma

Đôi khi granit và các loại đá hỏa sinh siêu bồ tạt cô lập các tinh thể magnetit và tạo thành các khối magnetit phù hợp để làm giàu quặng đạt hiệu quả kinh tế. Một số khoáng sàng quặng sắt, đáng chú ý là tại Chile, được hình thành từ các dung nham núi lửa chứa các tích tụ ban tinh magnetit đáng kể.[8] Các khoáng sàng quặng sắt Chile trong hoang mạc Atacama cũng hình thành các tích tụ bồi tích của magnetit trong các sông suối bắt nguồn từ các thành hệ núi lửa này.

Một số khoáng sàng skarn magnetit và nhiệt dịch được khai thác trong quá khứ là các khoáng sàng quặng sắt phẩm cấp cao không đòi hỏi nhiều công đoạn làm giàu. Có vài khoáng sàng gắn với granit thuộc kiểu này ở Malaysia và Indonesia.

Các nguồn quặng magnetit khác còn bao gồm các tích tụ biến chất của quặng magnetit khối như tại mỏ Savage River, Tasmania, được hình thành từ sự dịch chuyển của các ultramafic ophiolit.

Một nguồn quặng sắt nhỏ khác là các tích tụ magma trong các đá xâm nhập xếp lớp chứa magnetit thường với titan và vanadi. Các loại quặng này tạo thành thị trường ngách, với các nhà nấu luyện chuyên biệt để thu hồi sắt, titan và vanadi. Các loại quặng này được làm giàu về cơ bản tương tự như quặng sắt từ thành hệ sắt dải, nhưng thường dễ nâng phẩm cấp thông qua đập và sàng. Phẩm cấp điển hình của tinh quặng titanomagnetit là 57% Fe, 12% Ti và 0,5% V
2O
5.