碳循環，是指碳元素在地球上的生物圈、岩石圈、水圈及大氣圈中交換，並隨地球的運動循環不止的現象。
碳循環的主要表現是綠色植物從大氣中吸收二氧化碳，在水的參與下經光合作用轉化爲葡萄糖並釋放出氧氣，有機體再利用葡萄糖合成其他有機化合物。有機化合物經食物鏈傳遞，又成爲動物和細菌等其他生物體的一部分。生物體內的碳水化合物一部分作爲有機體代謝的能源經呼吸作用被氧化爲二氧化碳和水，並釋放出其中儲存的能量。
碳循環過程中，大氣中的二氧化碳大約20年可完全更新一次。自然界中絕大多數的碳儲存於地殼岩石中，岩石中的碳因自然和人爲的各種化學作用分解後進入大氣和海洋，同時死亡生物體以及其他各種含碳物質又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構成了全球碳循環的一部分。碳的地球生物化學循環控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、生物圈及海洋之間的遷移。