Der Kohlenstoffkreislauf ist ein natürlicher Prozess, bei dem Kohlenstoff zwischen verschiedenen Speichern wie Atmosphäre, Pflanzen, Tieren und Boden zirkuliert. Er ist eng mit dem Energiefluss in Ökosystemen verknüpft, da Pflanzen durch Fotosynthese sowohl Energie als auch Kohlenstoff einspeisen. Kohlenstoff bildet das Grundgerüst aller organischen Verbindungen und ist daher essenziell für das Leben. Obwohl nur ein kleiner Teil des gesamten Kohlenstoffs aktiv im biologischen Kohlenstoffkreislauf zirkuliert, sind die Stoffmengen gewaltig und für das Funktionieren aller Ökosysteme unverzichtbar.

Der Prozess beginnt mit der Fotosynthese, bei der Pflanzen CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen und in Glucose umwandeln. Diese organischen Verbindungen werden dann durch die Nahrungskette an Konsumenten weitergegeben. Durch Zellatmung setzen alle Lebewesen wiederum CO₂ frei. Ein Teil des Kohlenstoffs kann in Kohlenstoffsenken wie Mooren oder Kalkablagerungen für längere Zeit gespeichert werden. Besonders interessant ist, dass etwa 99,8% des gesamten Kohlenstoffs langfristig in der Lithosphäre festgelegt sind, meist in Kalkgesteinen oder fossilen Brennstoffen, und nur ein kleiner Teil aktiv zirkuliert.

Der kurzfristige Kreislauf umfasst die biologischen Prozesse wie Fotosynthese, Zellatmung und Zersetzung, die innerhalb von Tagen bis Jahren ablaufen. Der langfristige Kreislauf Kohlenstoff dagegen kann Zeiträume von Jahrtausenden bis Millionen Jahren umfassen und beinhaltet geologische Prozesse wie die Bildung von fossilen Brennstoffen oder Kalkgestein. Ein wichtiger Unterschied liegt auch in den beteiligten Speichern – während der kurzfristige Kreislauf hauptsächlich Atmosphäre, Biosphäre und obere Bodenschichten einbezieht, sind beim langfristigen Kreislauf auch tiefe Sedimente und die Hydrosphäre mit ihren riesigen Kohlenstoffreserven von etwa 38.000 Gigatonnen beteiligt.

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und veränderte Landnutzung greifen Menschen massiv in den Kohlenstoffkreislauf ein. Obwohl die freigesetzten Mengen im Vergleich zum gesamten zirkulierenden Kohlenstoff relativ klein erscheinen, haben sie gravierende Auswirkungen auf das globale Klima. Der anthropogene Kohlenstoffkreislauf stört das natürliche Gleichgewicht, was zu verstärkenden Rückkopplungsprozessen führt. Der Zusammenhang zwischen Kohlenstoffkreislauf und Klimawandel zeigt sich besonders deutlich beim Treibhauseffekt, bei dem das zusätzliche CO₂ in der Atmosphäre zu einer Erwärmung führt, die wiederum weitere Kohlenstoffspeicher wie Permafrostböden oder Moore gefährdet.