Synteza materii organicznej z węgla nieorganicznego przez organizmy fotosyntetyzujące lub chemosyntetyzujące stanowi produkcję pierwotną. W oceanie fotosynteza przez fitoplankton stanowi zdecydowaną większość produkcji pierwotnej; chemosynteza przyczynia się lokalnie do produkcji w kominach i ujściach.

Produkcja pierwotna zasila całą morską sieć pokarmową i wpływa na poziom dwutlenku węgla w atmosferze poprzez biologiczną pompę węglową. Tempo zmian jest bardzo zróżnicowane – od ubogich w składniki odżywcze wirów subtropikalnych po wysoce produktywne strefy wypiętrzeń przybrzeżnych i wiosenne zakwity polarne. Światło, składniki odżywcze, temperatura i wypas kontrolują realizowaną produkcję.

Oceanografowie mierzą produkcję pierwotną za pomocą inkubacji z użyciem znaczników izotopowych, śledząc zmiany stężenia tlenu lub dwutlenku węgla oraz wykorzystując algorytmy satelitarne, które wiążą kolor oceanu z chlorofilem i produktywnością. Globalną oceaniczną produkcję pierwotną szacuje się na około 50 miliardów ton węgla rocznie, co jest porównywalne z produkcją lądową. Zmiany w ilości lub lokalizacji produkcji pierwotnej mają kaskadowy wpływ na rybołówstwo i sekwestrację dwutlenku węgla.

Wiosenne zakwity mogą podwoić biomasę fitoplanktonu w danym regionie w ciągu zaledwie kilku dni, pod warunkiem że światło i składniki odżywcze się do siebie dostosują.