Близкие химические свойства ниобия и тантала обусловливают их совместное нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Благодаря близости ионных радиусов-ниобия и тантала к ионному радиусу титана ниобий способен замещать его в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения тантала и ниобия в природе может быть различной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной (в виде колумбита, пирохлора и др.).
Кларк ниобия 2∙10-3%, тантала 2,5∙10-4%. Содержания ниобия и тантала увеличиваются от ультраосновных (0,2 г/т Nb и 0,06 г/т Та) к кислым (20 г/т Nb и 4,2 г/т Та) и особенно в щелочных породах (30—300 г/т Nb).
В кислых негибридизированных гранитах, т. е. не обогащенных, кальцием и лишенных лития, ниобий концентрируется в виде акцессориев — колумбита и фергусонита. В гибридных гранитах и гранодиоритах ниобий рассеивается в сфене (по схеме CaTi↔NbNa) или в биотите и ильмените (по схеме MgTi↔NbLi), если магма обогащена литием.
В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. Тантал распространен меньше, чем ниобий, который, в частности, концентрируется в больших количествах в альбитизированных щелочных породах и связанных с ними пегматитах, а также в карбонатитах.
Ниобий и тантал встречаются в высокотемпературных вольфрамовых и оловянных грейзеновых месторождениях. Они содержатся в виде мельчайших включений колумбита и танталита в вольфрамитах и касситеритах, а также в виде изоморфной примеси.
В экзогенных условиях минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в делювиально-аллювиальных россыпях, иногда в бокситах коры выветривания (штат Арканзас, США). В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий и тантал. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn) (Nb, Та)2O6; пирохлор и его танталовый аналог микролит (Na, Са, TR, U)2 (Nb, Та, Ti)2O6 (ОН, F); (Nb 0—63%, Ta2O5 0—77%); лопарит (Na, Са, Се) (Ti, Nb)O3; [(Nb, Ta)2O5 — 8—10%)], иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие тантал и ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит).