Sintesis materi organik dari karbon anorganik oleh organisme fotosintetik atau kemosintetik disebut produksi primer. Di lautan, fotosintesis oleh fitoplankton menyumbang sebagian besar produksi primer; kemosintesis berkontribusi secara lokal di lubang hidrotermal dan rembesan hidrotermal.

Produksi primer menjadi bahan bakar seluruh jaring makanan laut dan memengaruhi kadar karbon dioksida di atmosfer melalui pompa karbon biologis. Laju produksinya sangat bervariasi—dari pusaran subtropis yang miskin nutrisi hingga zona upwelling pesisir yang sangat produktif dan ledakan populasi alga di musim semi kutub. Cahaya, nutrisi, suhu, dan penggembalaan mengendalikan produksi yang terealisasi.

Para ahli oseanografi mengukur produksi primer dengan inkubasi menggunakan pelacak isotop, dengan melacak perubahan oksigen atau karbon dioksida, dan melalui algoritma satelit yang menghubungkan warna laut dengan klorofil dan produktivitas. Produksi primer laut global diperkirakan sekitar 50 miliar ton karbon per tahun, setara dengan produksi darat. Pergeseran jumlah atau lokasi produksi primer memiliki efek berantai pada perikanan dan penyerapan karbon.

Ledakan populasi fitoplankton di musim semi dapat menggandakan biomassa fitoplankton suatu wilayah dalam hitungan hari ketika cahaya dan nutrisi selaras.