Der Kohlenstoffkreislauf ist das Mittel, durch das Kohlenstoffatome zwischen Lebewesen, dem Boden, den Ozeanen und dem Himmel ausgetauscht werden; oder Biosphäre, Geosphäre, Hydrosphäre bzw. Atmosphäre. Es gibt etwa 1,000,000 Gigatonnen Kohlenstoff auf der Erde, von denen das meiste in Sedimentgesteinen eingeschlossen ist und nie die Oberfläche erreicht. An der Oberfläche befindet sich Kohlenstoff ständig in einem dynamischen Austausch von Konsum und Produktion. Dieser aktive Austausch wird als Kohlenstoffkreislauf bezeichnet.
Die Atmosphäre enthält etwa 750 Gigatonnen Kohlenstoff, meist in Form von Kohlendioxid (CO2). Am Ende des Kohlenstoffkreislaufs wird Kohlenstoff kontinuierlich entzogen durch 1) den Prozess der Photosynthese, bei dem Kohlendioxid zur Erzeugung von Kohlenhydraten verwendet wird, und 2) durch die kälteren Teile der Ozeane, die in der Lage sind, Kohlendioxid aufzunehmen. Am Produktionsende des Kohlenstoffkreislaufs wird atmosphärischer Kohlenstoff durch folgende Prozesse kontinuierlich ergänzt: Atmung von Pflanzen und Tieren und deren Zerfall; die Verbrennung fossiler Brennstoffe; Kalksteinreaktionen; die Freisetzung von Kohlendioxid durch warme Meeresgebiete; und Vulkanausbrüche. Die menschliche Verbrennung fossiler Brennstoffe hat den globalen Kohlenstoffkreislauf oder -haushalt leicht aus dem Gleichgewicht gebracht, was zu einer Atmosphäre mit steigendem Kohlendioxidgehalt geführt hat.
Die Biosphäre enthält etwa 600 Gigatonnen Kohlenstoff, was den am stärksten kondensierten Kohlenstoffpool der Erde darstellt. Durch den Kohlenstoffkreislauf zirkuliert Kohlenstoff in und aus der Biosphäre, während Pflanzen und Tiere atmen, ausscheiden, absterben und Photosynthese betreiben. Boden in Form von organischem Material, zu dem Pflanzen und Tiere beim Absterben werden, enthält etwa 1,500 Gigatonnen Kohlenstoff. Ein Teil dieses Kohlenstoffs sinkt tief in die Erde in Sedimentgesteine und taucht nie wieder auf. Ein Teil davon gelangt in die Ozeane und löst sich auf. Die tiefen Ozeane enthalten eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff, etwa 38,000 Gigatonnen.
Etwa 5.5 Gigatonnen an Emissionen fossiler Brennstoffe werden jedes Jahr von der menschlichen Industrie in die Atmosphäre freigesetzt, wodurch ein im übertragenen Sinne kopflastiger Kohlenstoffkreislauf entsteht. Zur Begrenzung dieser Emissionen wurden internationale Koalitionen gebildet, bisher mit mäßigem Erfolg. Die verbleibenden Kohlevorkommen belaufen sich auf etwa 3,000 Gigatonnen Kohlenstoff, und die verbleibenden Öl- und Gasreserven machen etwa 300 aus.