Syntesen av organiskt material från oorganiskt kol genom fotosyntetiska eller kemosyntetiska organismer kallas primärproduktion. I havet står fotosyntes av fytoplankton för den stora majoriteten av primärproduktionen; kemosyntes bidrar lokalt vid öppningar och sippringar.

Primärproduktionen driver hela den marina näringsväven och påverkar atmosfäriska koldioxidnivåer genom den biologiska kolpumpen. Hastigheterna varierar enormt – från de näringsfattiga subtropiska svallvågorna till de högproduktiva kustnära uppvällningszonerna och polära vårblomningar. Ljus, näringsämnen, temperatur och bete styr den realiserade produktionen.

Oceanografer mäter primärproduktion med inkubationer med hjälp av isotopspårämnen, genom att spåra förändringar i syre- eller koldioxidhalten och genom satellitalgoritmer som relaterar havets färg till klorofyll och produktivitet. Den globala oceaniska primärproduktionen uppskattas till ungefär 50 miljarder ton kol per år, jämförbart med landbaserad produktion. Förändringar i mängden eller platsen för primärproduktion har kaskadeffekter på fiske och koldioxidbindning.

En vårblomning kan fördubbla fytoplanktonbiomassan i en region inom några dagar när ljus och näringsämnen är i linje.