Die Synthese organischer Substanz aus anorganischem Kohlenstoff durch photosynthetische oder chemosynthetische Organismen wird als Primärproduktion bezeichnet. Im Ozean trägt die Photosynthese des Phytoplanktons den größten Teil zur Primärproduktion bei; die Chemosynthese spielt lokal an hydrothermalen Quellen und Kaltwasseraustritten eine Rolle.

Die Primärproduktion ist die Grundlage der gesamten marinen Nahrungskette und beeinflusst über die biologische Kohlenstoffpumpe den atmosphärischen Kohlendioxidgehalt. Die Produktionsraten variieren enorm – von den nährstoffarmen subtropischen Wirbeln bis hin zu den hochproduktiven Küstenauftriebszonen und den Frühjahrsblüten in den Polargebieten. Licht, Nährstoffe, Temperatur und Fraßdruck bestimmen die tatsächliche Produktion.

Ozeanographen messen die Primärproduktion mithilfe von Inkubationsexperimenten mit Isotopenmarkern, indem sie Veränderungen des Sauerstoff- oder Kohlendioxidgehalts verfolgen und Satellitenalgorithmen nutzen, die die Ozeanfarbe mit Chlorophyll und Produktivität in Beziehung setzen. Die globale ozeanische Primärproduktion wird auf etwa 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr geschätzt und ist damit vergleichbar mit der terrestrischen Produktion. Veränderungen in Menge oder Ort der Primärproduktion haben weitreichende Auswirkungen auf Fischerei und Kohlenstoffbindung.

Eine Frühjahrsblüte kann die Phytoplanktonbiomasse einer Region innerhalb weniger Tage verdoppeln, wenn Licht und Nährstoffe optimal zusammenwirken.