碳循环，是指碳元素在地球上的生物圈、水圈、岩石圈及大气圈中交换，并随地球的运动循环不止的现象。
生物圈中的碳循环主要表现在绿色植物从大气中吸收二氧化碳，在水的参与下经光合作用转化为葡萄糖并释放出氧气，有机体再利用葡萄糖合成其他有机化合物。
有机化合物经食物链传递，又成为动物和细菌等其他生物体的一部分。
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二氧化碳和水，并释放出其中储存的能量。
碳循环过程，大气中的二氧化碳大约20年可完全更新一次。自然界中绝大多数的碳储存于地壳岩石中，岩石中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋，同时死亡生物体以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。
碳元素在大气、土壤、岩层及动植物间流转的过程。藻类和绿色植物经由光合作用，将大气中的二氧化碳转换为碳水化合物，再经动物的呼吸作用，尸体分解及燃烧等形式而回归大气。所以碳素循环始终维持平衡。
地球上最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，含碳量约占地球上碳总量的99.9%。
自然界碳循环的基本过程如下：大气中的二氧化碳（CO2）被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。
绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。
植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。
动、植物死后，残体中的碳，通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。
大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。
一部分（约千分之一）动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料--煤、石油和天然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳氧化成为二氧化碳排入大气。人类消耗大量矿物燃料对碳循环发生重大影响。
一方面沉积岩中的碳因自然和人为的各种化学作用分解后进入大气和海洋；另一方面生物体死亡以及其他各种含碳物质又不停地以沉积物的形式返回地壳中，由此构成了全球碳循环的一部分。碳的生物循环虽然对地球的环境有着很大的影响，但是从以百万年计的地质时间上来看，缓慢变化的碳的地球化学大循环才是地球环境最主要的控制因素。
二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处，由于风和波浪的作用而加强。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等，大气中二氧化碳量增多或减少，海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。
大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中，海水中接纳的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的。新输入多少碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。通过不同的成岩过程，又形成为石灰岩、白云石和碳质页岩。在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。碳质岩石的破坏，在短时期内对循环的影响虽不大，但对几百万年中碳量的平衡却是重要的。
人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。从1949年到1969年，由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量估计每年增加4.8%。其结果是大气中二氧化碳浓度升高。这样就破坏了自然界原有的平衡，可能导致气候异常。矿物燃料燃烧生成并排入大气的二氧化碳有一小部分可被海水溶解，但海水溶解态二氧化碳的增加又会引起海水中酸碱平衡和碳酸盐溶解平衡的变化。
森林生态系统作为吸收二氧化碳释放氧气的的大碳汇在碳循环中起着非常重要的作用。全球森林面积为41.61亿公顷，其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt，森林生态系统地上部的含碳量为483Gt，占了86%。全球陆地生态系统地下部含碳量为1 272Gt，而森林地下部含碳约927Gt，占整个世界土壤含碳量的73%。
森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面：
1、生物量
森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素，如按植物生物量的含碳量为45%～50%计，那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。我国森林生态系统潜在的植物总碳贮量为8.41Pg，现有的实际碳贮存总量只是潜在的植物总碳贮量的44.3%。因此，如果我国的森林生态系统得到切实有效的保护，那么它将是中国一个重要的碳汇。
2、林产品
森林生态系统林产品的固碳量是个变化很大的因子。一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。像燃料用木、纸浆用木等属于短期产品，而胶合板、建筑用木则属于长期产品。林产品使用寿命的长短在很大程度上也决定着森林生态系统的碳汇功能。使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放，缓解全球大气碳浓度的增加，一般来说，耐用林产品的使用寿命可达100～200a，在这么长时间里，通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。因此，应尽量加工耐用、使用寿命长的林产品。
3、植物枯枝落叶和根系碎屑
这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少，但也是一个不容忽略的碳库，减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量也起到一定的作用。
4、森林土壤
这是森林生态系统中最大的碳库。全球森林土壤的含碳量为660～927Gt，是森林生态系统地上部的2～3倍。研究土壤碳库及其碳循环和全球变化已成为土壤学的一个新的发展方向。
5、全球碳库
碳是生命物质中的主要元素之一，是有机质的重要组成部分。
概括起来，地球上主要有四大碳库，即大气碳库，海洋碳库、陆地生态系统碳库和岩石圈碳库。
碳元素在大气、陆地和海洋等各大碳库之间不断地循环变化。大气中的碳主要以二氧化碳和甲烷等气体形式存在，在水中主要为碳酸根离子。在岩石圈中是碳酸盐岩石和沉积物的主要成分，在陆地生态系统中则以各种有机物或无机物的形式存在于植被和土壤中。
碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移，而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。
在碳的生物循环中，大气中的二氧化碳被植物吸收后，通过光合作用转变成有机物质，然后通过生物呼吸作用和细菌分解作用又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。碳的生物循环包括了碳在动、植物及环境之间的迁移。
碳固定包括有机碳固定、无机碳固定，以及人类通过各种技术方法对碳的固定。有机碳固定是指绿色植物从空气中获取CO2，经过光合作用转化为葡萄糖，再合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。无机碳固定包括海水溶解部分大气中CO2，干旱区盐碱土吸收CO2，以及碳质岩的形成（即雨水和地下水吸收大气中CO2 成为碳酸，碳酸又把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐流入海洋。而海水中的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的，接纳了新输入碳酸盐后便有等量的碳酸盐沉积下来。通过成岩过程形成石灰岩、白云石和碳质岩）。人类固定CO2 的技术有：在地下深层埋藏CO2，通过高温高压反应将CO2 合成为其他碳化合物。
碳释放包括：
①有机体碳释放，即植物和动物( 包括微生物) 的呼吸作用把通过光合作用积累在体内的一部分碳转化为CO2 释放进大气，构成生物体或贮存在生物体内的碳, 在生物体死亡后通过微生物分解作用转变为CO2，最终排入大气。大气中的CO2 平均每7 年通过光合作用与陆地生物圈交换1 次。
②燃料化石碳释放，一部分动植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋，而成为有机沉积物，经过悠长的年代，它们在热能和压力作用下转变成矿物燃料——煤、石油和天然气等。当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳氧化成CO2 排入大气。人类消耗大量矿物燃料对碳循环产生了重大影响，全世界每年燃烧煤炭、石油和天然气化石燃料，以及水泥生产等释放到大气中的碳为5.3×1012 千克。
③在化学和物理因素作用下，石灰岩、白云石和碳质页岩被分解，所含的碳又以CO2 形式释放入大气中。碳质岩的破坏在短时期内对碳循环的影响虽不大，但对全球几百万年尺度时间里的碳平衡却是重要的。
④大气、河流和海洋之间的CO2 交换，这种交换发生在气和水的交界面，由于风和波浪的作用而加强，且这两个方向流动的CO2 量大致相等，大气与河流和海洋之间碳交换量为1.02×1015 千克。
科学家在进行全球碳平衡研究和估算中发现，排放的CO2 有近20% 去向不明，这就是全球变化与碳循环领域的CO2 失汇，即“碳黑洞”问题。失汇量约每年(1.8~3.1)×1012 千克。
2015 年12 月，在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎气候变化协定》，其目标是在21 世纪中，将全球平均气温较工业化之前的升幅控制在2.0℃以内，最理想的情况是控制在1.5℃以内。该协定于2016 年11 月4 日正式生效，明确要求世界各国要加强对气候变化威胁的全球应对，推动各方以“自主贡献”方式参与全球应对气候变化行动，以此来降低温室气体排放，减缓全球升温速率。全球未来碳排放目标是：到2050 年，全球减排50%，发达国家减排80% ；全球累计排放最多4.16×1014 千克，人均累计排放最多5.3×104 千克，发达国家和发展中国家人均累计排放分别为8.1×104 千克和4.7×104 千克。
无论是森林固碳，还是干旱区盐碱土固碳，中国生态系统可抵消化石燃料总排放的1/3, 1981—2000 年，化石燃料释放的碳量为1.32×1013 千克，生态系统吸收的碳量为(3.5－4.6)×1012 千克，相当于化石碳排放量的27%—34%。中国陆地生态系统的碳汇目前已经高于欧洲、低于北美。
2015 年，我国提出了2030 年应对气候变化行动目标，推动社会转型升级。当年单位GDP 的CO2 排放比2005 年下降了60%—65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20% 左右，森林蓄积量比2005 年增加了45 亿米3。我国积极推进应对气候变化国际合作和全球气候治理进程，全面推进低碳发展，超额完成应对气候变化的目标任务，扭转了多年来CO2 排放快速增长的局面，展现了对构建人类命运共同体的担当。