La síntesis de materia orgánica a partir de carbono inorgánico por organismos fotosintéticos o quimiosintéticos constituye la producción primaria. En el océano, la fotosíntesis del fitoplancton representa la gran mayoría de la producción primaria; la quimiosíntesis contribuye localmente en fuentes hidrotermales y filtraciones.

La producción primaria sustenta toda la red trófica marina e influye en los niveles de dióxido de carbono atmosférico a través de la bomba biológica de carbono. Las tasas varían enormemente, desde los giros subtropicales pobres en nutrientes hasta las zonas de afloramiento costero altamente productivas y las floraciones primaverales polares. La luz, los nutrientes, la temperatura y el pastoreo controlan la producción real.

Los oceanógrafos miden la producción primaria mediante incubaciones con trazadores isotópicos, el seguimiento de los cambios en el oxígeno o el dióxido de carbono, y algoritmos satelitales que relacionan el color del océano con la clorofila y la productividad. Se estima que la producción primaria oceánica global asciende a unos 50 mil millones de toneladas de carbono al año, una cifra comparable a la producción terrestre. Las variaciones en la cantidad o la ubicación de la producción primaria tienen efectos en cascada sobre la pesca y la captura de carbono.

Cuando se dan las condiciones adecuadas de luz y nutrientes, una floración primaveral puede duplicar la biomasa de fitoplancton de una región en cuestión de días.