A síntese de matéria orgânica a partir de carbono inorgânico por organismos fotossintéticos ou quimiossintéticos é a produção primária. No oceano, a fotossíntese realizada pelo fitoplâncton é responsável pela grande maioria da produção primária; a quimiossíntese contribui localmente em fontes hidrotermais e emanações de gás.

A produção primária alimenta toda a cadeia alimentar marinha e influencia os níveis de dióxido de carbono na atmosfera através da bomba biológica de carbono. As taxas variam enormemente — desde os giros subtropicais pobres em nutrientes até às zonas costeiras de afloramento altamente produtivas e às florações polares da primavera. A luz, os nutrientes, a temperatura e o pastoreio controlam a produção eficaz.

Os oceanógrafos medem a produção primária através de incubações utilizando traçadores isotópicos, rastreando as alterações nos níveis de oxigénio ou dióxido de carbono e através de algoritmos de satélite que relacionam a cor do oceano com a clorofila e a produtividade. A produção primária oceânica global está estimada em cerca de 50 mil milhões de toneladas de carbono por ano, comparável à produção terrestre. As alterações na quantidade ou na localização da produção primária têm efeitos em cascata na pesca e no sequestro de carbono.

Uma floração primaveril pode duplicar a biomassa fitoplanctónica de uma região em poucos dias, quando a luz e os nutrientes estão em equilíbrio.