碳原子具有较小的离子半径和较大的电负性，具有与碳原子或其他元素（如氢、氧、氮、磷等）相互结合成紧密又稳定的碳链或共价键的能力，在自然界可以形成稳定的-4、0、+2和+4四种价态，是构成生命体的基本元素。碳与氢、氧等元素结合后形成数十万种有机化合物，如在地层中形成的煤、石油和天然气是支撑人类生存和工农业运转的主要能源，各种碳水化合物和碳氢化合物是构成地球各种自然有机质、生物体的主要物质成分和生命载体，并能完成生物体的生长、繁殖、物种演化等各种生理功能和对外界环境的物理化学作用。

碳元素主要分布在四个库中：大气、海洋、陆地（土壤和植被）、沉积物和岩石圈。大气中碳元素含量最低，但活性最强，主要以绿色植物能直接利用的二氧化碳（CO₂）的形式存在。海洋碳库是大气碳库的50多倍，海水中碳元素以溶解有机碳、溶解无机碳和颗粒有机碳的形式存在，是生物有机体和非生物有机质以及碳酸盐的主要成分。陆地生物圈是最大的生物碳库，陆地植被中的碳含量和大气中碳含量接近；土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，是大气碳库的2～3倍。沉积物和岩石圈中的碳主要以无机碳（如碳酸盐）的形式存在，碳含量最高，约占整个地球系统碳总量的99%以上，但循环周转速度非常缓慢（周转时间长达几百万年）。

碳的生物地球化学循环是生物圈最复杂的循环之一，碳循环属于气体型循环。根据循环的空间和时间可划分为碳的地质大循环和生物小循环。

在地质大循环中，含有碳元素的结晶岩石矿物（碳酸盐）和沉积物在外力作用下发生风化，变成细碎的可溶物质，被流水搬运到海洋；大气中的CO₂与雨滴结合随降水直接落入海洋或通过江河流入海洋，经过漫长的地质年代变成沉积岩；当地壳上升，沉积岩又露出海面成为陆地，并再次经受风化和淋溶。整个过程伴随着碳元素的循环周转，但周转时间极长、循环速度非常缓慢。

生物小循环是在生物圈中进行的。生态系统中的碳循环主要是以绿色植物（包括藻类）吸收CO₂，通过光合作用转化为葡萄糖，进而合成各种有机物，经食物链传递，又成为动物和细菌等其他生物体的组成部分。生物体内的碳水化合物，一部分作为有机体代谢的能源，经呼吸作用被氧化为CO₂和水；另一部分最终随动、植物的尸体以及分泌物和排泄物被微生物分解，释放出CO₂。这个过程与地质大循环相比，其时间和空间范围都很小，且均是通过生物作用完成的。

光合作用是大气中CO₂进入生态系统的主要通道，该碳输入构成了生态系统的总初级生产力（GPP）。陆地生态系统中，绿色植物直接利用空气中的CO₂进行光合作用，其光合作用速率受CO₂从大气到叶绿体的扩散速率和叶绿体对碳的固定速率的共同限制。植被总叶面积、生长季长度和氮营养供应以及水分和温度，是控制陆地生态系统碳输入速率的主要因素。

在海洋生态系统中，初级生产者主要是指那些接近海面处浮游的微小藻类（浮游植物）。这些浮游植物利用海水中溶解的CO₂以及碳酸氢根和碳酸根离子作为碳源来进行光合作用，并把这些无机碳固定成有机分子中的碳。浮游植物的光合作用很少受到碳的限制。而淡水生态系统中主要是由大型植物（如挺水植物、浮水植物、浮叶植物）和浮游植物吸收大气和水中的CO₂，经过光合作用转化为碳水化合物。

在光合作用中，碳首先转化为具有链状和环状结构的糖类、木质素等化合物（构成植物体的主要成分），再进一步转化衍生出各种更复杂的有机化合物。在地球生态系统中，植物为最主要的初级生产者（自养有机体），光能和化能自养微生物也属于生产者，食草和食肉动物为消费者（异养有机体），腐生动物和微生物为分解者（异养有机体）。在食物链传递的过程中，碳水化合物转化为碳氢化合物，如脂肪、蛋白质以及更复杂的有机化合物。在这一过程中，植物通过多种途径损失碳，其中最大的碳损失是碳从植物向土壤的转移，植物主要通过凋落（植物组织脱落和植物的死亡）、根分泌（可溶性有机化合物由根分泌到土壤中）以及根系共生微生物（如菌根、固氮细菌等）将碳转移到土壤中，然后沿碎屑食物链（网）经不同大小和营养级的土壤动物传递，最终在土壤微生物的分解和其他化学过程的作用下形成土壤有机质。

相比陆地生态系统，水生生态系统中物种的体型大小变异更大，会形成更长的食物链和更复杂的食物网。在这一传递过程中，草食作用会占据水生植物碳损失的大部分。

由生产者固定在有机物质中的碳元素，经过三条途径最终以CO₂的形式回到大气中，包括：①动物、植物和微生物在呼吸过程中释放出CO₂。②食草生物和食肉生物（消费者）消化吸收植物和动物产生CO₂。③动物、植物和微生物尸体被微生物分解释放出CO₂。

生态系统的呼吸可分为植物呼吸（自养呼吸）以及动物和微生物的呼吸（异养呼吸）。植物呼吸速率与总初级生产力之差即为净初级生产力（NPP），净初级生产力与异养呼吸速率之差称为净生态系统生产力（NEP）。呼吸作用将有机物分解产生CO₂和能量，为生物提供获取营养及生产和维持生物量所需的能量，是生态系统中碳损失的主要途径。分解作用引起动植物和微生物死有机质的淋溶、破碎和化学改变，可以产生CO₂和矿质营养以及复杂有机物的残留库（腐殖质）。分解作用的速率由物理环境（温度、水分等）、底物的质量（如木质素含量、碳氮比值）和微生物群落（组成和结构）共同调控。如果生物在腐烂之前被保存在水生生态系统（海洋、湖泊等）的沉积物中，那么其中含有的碳在相当长的一段时间内将脱离碳循环。

自然生态系统中，全球碳循环保持相对稳定的平衡状态，但人类活动对全球碳循环产生了严重影响。化石燃料的燃烧、水泥制造等工业活动的扩大，以及土地利用方式的变化都释放了大量的CO₂，这部分碳约占陆地或者海洋碳循环总量的15%，严重影响了全球碳循环的平衡。大气CO₂浓度从工业革命开始时的260～280ppm（ppm=干空气每百万个分子中该气体的分子数量）呈指数增长，其增加速率比过去两万年升高了10倍以上。大气CO₂浓度增加有助于提高生态系统的初级生产力，但这种碳施肥效应会因氮、磷等其他养分的供应限制而逐渐减弱。此外，大气和海洋中CO₂浓度增加会引起海水pH降低，从而可能对海洋动物（如贝类、珊瑚等）和渔业生产造成不利影响。

除CO₂外，与碳循环关系密切且常温下为气体的含碳分子还包括甲烷（CH₄）和一氧化碳（CO）。CH₄在大气中浓度（1.8 ppm）远低于CO₂（390 ppm），但单个CH₄分子的温室效应大约是CO₂分子的23倍。工业革命以来大气中CH₄浓度也呈指数增加，人类活动是主要原因之一。天然CH₄只在厌氧环境产生，包括湿地、淡水沉积物、动物胃中发酵及各种地质来源，而人类活动（主要是农牧业生产）产生的CH₄量约是天然CH₄产量的2倍。虽然通过大气中的光化学反应可以消耗掉大部分CH₄，但每年大气中CH₄的积累量仍占其年通量的10%。大气中CO虽较CH₄浓度更低，但因在氧化过程中能产生臭氧（O₃），也受到人们的关注，其释放源主要为化石燃料和生物质燃烧等人类活动。

除了CO₂和CH₄，氢氟碳化合物（HFCs）和全氟碳化合物（PFCs）是《京都议定书》中规定控制的6种温室气体中的另外两种含碳化合物，均是人工合成物质。这些温室气体在大气中的迅速增加造成了更加显著的温室效应，使全球气温上升，破坏生态系统的原有平衡，威胁人类的生存。