คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักของสารอินทรีย์ทั้งหมด ดังนั้นวัฏจักรคาร์บอนจึงเกิดควบคู่กับวัฏจักรพลังงานในระบบนิเวศ

การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยพืช สาหร่าย แพลงก์ตอนพืชและแบคทีเรีย ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
และให้ผลผลิตเป็นคาร์โบไฮเดรตในรูปน้ำตาลและเมื่อมีการหายใจ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปลดปล่อย
ออกสู่บรรยากาศอีกครั้ง แม้ว่าในบรรยากาศจะมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพียง 0.03% แต่การสังเคราะห์ด้วย
แสงใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศไปถึง 1 ใน 7 ในขณะเดียวกันก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จาก
การหายใจก็ชดเชยส่วนที่หายไปคืนสู่บรรยากาศ ทำให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศคงที่
ตลอดเวลา

ในแต่ละฤดูกาล ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ก๊าซคาร์บอน
ไดออกไซด์มีความเข้มข้นต่ำที่สุดในช่วงฤดูร้อนในซีกโลกเหนือและสูงสุดในช่วงฤดูหนาว ทั้งนี้เนื่องจากใน
ซีกโลกเหนือมีแผ่นดินซึ่งมีพืชพรรณ และมีอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มสูงในฤดูร้อน และมีอัตราการ
หายใจเพิ่มในฤดูหนาวนั่นเอง

นอกจากนั้น คาร์บอนยังอยู่ในรูปของสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน
กรดนิวคลีอิก ฯลฯ ปริมาณคาร์บอนส่วนนี้หมุนเวียนในระบบนิเวศผ่านห่วงโซ่อาหาร จากผู้ผลิตไปสู่
ผู้บริโภคระดับต่างๆ เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลงผู้ย่อยสลาย เช่น ราและแบคทีเรียจะย่อยสลายคาร์บอนเหล่านี้
ให้กลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ อัตราความเร็วในการหมุนเวียนในวัฏจักรของคาร์บอนแตกต่างกันไป
ตามชนิดของสารอินทรีย์ เช่นคาร์บอนในเนื้อสัตว์สามารถถูกกินและส่วนที่เหลือถูกย่อยสลายกลับสู่ระบบ
นิเวศ ได้เร็วกว่าคาร์บอนที่อยู่ในเนื้อไม้ซึ่งมีความคงทน

ภายใต้สภาวะพิเศษบางอย่างสารอินทรีย์ที่คงอยู่ในซากพืชซากสัตว์ที่ทับถมกันเป็นเวลานานๆ
อาจกลายเป็นถ่านหินหรือปิโตรเลียม ซึ่งจะคงอยู่ในสภาพนั้นใต้ผิวโลกเป็นเวลาหลายล้านปี จนกว่าจะมี
การขุดเจาะนำขึ้นมา

การเผาไหม้ (combusion) สารอินทรีย์ เช่น ไม้ ถ่านหินและปิโตรเลียมเปลี่ยนคาร์บอนให้เป็นก๊าซ
คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศได้อย่างรวดเร็วมาก ก๊าซคาร์ไดออกไซด์จากการเผาไหม้ในโรงงาน
อุตสาหกรรมและจากรถยนต์อาจทำให้ปริมาณก๊าซชนิดนี้ในบรรยากาศเพิ่มสูงขึ้น ปริมาณก๊าซซึ่งรักษา
ระดับคงที่มาเป็นเวลาหลายพันล้านปีอาจเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่ปี และทำให้วัฏจักร
คาร์บอนในระบบนิเวศไม่สมดุลอีกต่อไป

อย่างไรก็ตาม ยังมีคาร์บอนปริมาณมากอีกส่วนหนึ่งสะสมไว้ในน้ำ เมื่อก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ใน
บรรยากาศละลายน้ำหรือถูกชะล้างด้วยฝน และกลายเป็นกรดคาร์บอนิก (carbonic acid หรือ H2CO3)
กรดนี้สามารถทำปฏิกิริยากับแร่หินปูนหรือแคลเซียมคาร์บอเนต (calcium carbonate หรือ CaCO3)
ซึ่งมีมากมายในน้ำโดยเฉพาะในมหาสมุทรเกิดเป็นไบคาร์บอเนต (bicarbonate หรือ HCO3 – ) และ
คาร์บอเนต (carbonate หรือ CO3 2- ) แพลงก์ตอนพืชในทะเล สามารถใช้ไบคาร์บอเนตได้โดยตรงและ
เปลี่ยนคาร์บอนกลับเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ด้วยการหายใจอย่างช้าๆ กระนั้นก็ตามมหาสมุทร
ก็มีคาร์บอนสะสมไว้มากถึง 50 เท่าของคาร์บอนในบรรยากาศและยังสามารถดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
ในบรรยากาศไว้ในรูปของไบคาร์บอเนตได้อีกบางส่วน มหาสมุทรจึงช่วยรักษาสมดุลของวัฏจักรคาร์บอนได้
ในระดับหนึ่ง