Sinteza materiei organice din carbonul anorganic de către organismele fotosintetice sau chemosintetice reprezintă producția primară. În ocean, fotosinteza fitoplanctonului reprezintă marea majoritate a producției primare; chemosinteza contribuie local la nivelul orificiilor de ventilație și al infiltrațiilor.

Producția primară alimentează întreaga rețea trofică marină și influențează nivelurile de dioxid de carbon atmosferic prin intermediul pompei biologice de carbon. Ratele variază enorm - de la gyre-urile subtropicale sărace în nutrienți până la zonele costiere extrem de productive de upwelling și înfloririle polare de primăvară. Lumina, nutrienții, temperatura și pășunatul controlează producția realizată.

Oceanografii măsoară producția primară prin incubări folosind trasori izotopici, prin urmărirea modificărilor oxigenului sau dioxidului de carbon și prin algoritmi satelitari care leagă culoarea oceanului de clorofilă și productivitate. Producția primară oceanică globală este estimată la aproximativ 50 de miliarde de tone de carbon pe an, comparabilă cu producția terestră. Schimbările în cantitatea sau locația producției primare au efecte în cascadă asupra pescuitului și sechestrării carbonului.

O înflorire de primăvară poate dubla biomasa fitoplanctonului dintr-o regiune în câteva zile, când lumina și nutrienții se aliniază.