La synthèse de matière organique à partir de carbone inorganique par des organismes photosynthétiques ou chimiosynthétiques constitue la production primaire. Dans l'océan, la photosynthèse du phytoplancton représente la grande majorité de la production primaire ; la chimiosynthèse y contribue localement au niveau des sources hydrothermales et des suintements froids.

La production primaire alimente l'ensemble du réseau trophique marin et influence les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique par le biais de la pompe biologique de carbone. Les taux varient énormément, des gyres subtropicales pauvres en nutriments aux zones de remontée d'eau côtières très productives et aux efflorescences printanières polaires. La lumière, les nutriments, la température et le broutage déterminent la production effective.

Les océanographes mesurent la production primaire par incubation à l'aide de traceurs isotopiques, en suivant les variations d'oxygène ou de dioxyde de carbone, et grâce à des algorithmes satellitaires qui établissent un lien entre la couleur de l'océan, la chlorophylle et la productivité. La production primaire océanique mondiale est estimée à environ 50 milliards de tonnes de carbone par an, un niveau comparable à la production terrestre. Les variations de quantité ou de localisation de la production primaire ont des répercussions en cascade sur la pêche et le stockage du carbone.

Une floraison printanière peut doubler la biomasse phytoplanctonique d'une région en quelques jours seulement, lorsque la lumière et les nutriments sont réunis.