Chu trình carbon trong tự nhiên là một quá trình phức tạp, liên quan đến sự chuyển động và trao đổi carbon giữa khí quyển, đại dương, đất đai và các hệ sinh thái. Trong chu trình này, CO₂ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng carbon trong hệ sinh thái và khí quyển của Trái Đất, thông qua các quá trình sau:

- Quá trình phát thải carbon ở dạng khí CO₂: CO₂ được chuyển vào khí quyển thông qua nhiều quá trình khác nhau như quá trình hô hấp của sinh vật, quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch, cháy rừng,...

- Quá trình hấp thụ carbon ở dạng khí CO₂: CO₂ được cây xanh sử dụng trong quá trình quang hợp để tạo ra các hợp chất hữu cơ. Các chất này sẽ được chuyển hoá thành hợp chất hữu cơ trong động vật khi động vật sử dụng thực vật làm nguồn dinh dưỡng. Khi thực vật, động vật bị vùi lấp, các hợp chất của carbon trong chúng phân huỷ thành muối carbonate, nhiên liệu hoá thạch,... Ngoài ra, CO₂ còn được hoà tan vào nước biển, sông, hồ,...