自然界的碳主要储藏在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈几个库中。库存的分布在大气中库约7.0×1011t，陆地植物中约4.5×1011t，陆地表层有机物约7.0×1011t，煤和石油等沉积约1.0×1013t，海洋上层5.0×1011t，深海3.45×1013t。
陆地生态系统的碳素循环，包括植物生物量的形成、积累以及有机碳在生物链中的传递、动植物残体和土壤有机质的分解、土壤微生物的固定、物质的燃烧等过程。碳循环的主要形式是从大气的二氧化碳开始的，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成碳水化合物，构成全球的初级生产。通过食物链，碳水化合物经过动物的消化和吸收转化为动物的次级生产。动物和植物同化的碳，一部分通过其呼吸作用返回到大气之中，另一部分通过动物排泄物或以动植物残体的形式回到环境中。环境中的这部分碳最终被微生物分解成为二氧化碳回到大气，成为可被植物在利用的状态。这个过程称为碳的生物小循环。在这个过程中，植物通过光合作用从大气中吸收碳的速率和通过呼吸作用和分解作用而把碳释放给大气的速率大体相等。
碳的另外一个循环形式是地质大循环过程，一部分生物残体在地层中形成碳酸盐，沉积于海底，形成新的岩石，使这一部分碳较长时间储存在地层中，暂时退出碳循环。在地质环境条件发生变化时，碳酸盐矿物中的一部分碳又重新返回到大气层，参加生态系统的物质再循环。另外，海洋也是碳的储存库。在水体中，由水生植物将大气中扩散到水体上层二氧化碳的固定，转化为碳水化合物，通过食物链，转化为动物体内的有机碳。水生动植物的呼吸作用将一部分碳以二氧化碳的形式返回到大气中。动植物残体多数被微生物分解后，碳以二氧化碳形式是放到海洋环境中，另外一部分沉积到水底，经过地址变动，又可能以石灰岩的形式再出露到地表。岩石圈中的碳也可以通过岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气圈。生物同化的碳在特殊的地质年代中被深埋在地下，成为煤和石油等化石燃料。人类开采利用化石燃料，通过燃烧过程使其中的碳以二氧化碳的形式进入大气中。总之，碳在地球大循环中各个组分的含量一般能通过碳循环的自我调节机制而保持相对稳定的水平。