Quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ cacbon vô cơ bởi các sinh vật quang hợp hoặc hóa tổng hợp được gọi là sản xuất sơ cấp. Trong đại dương, quá trình quang hợp của thực vật phù du chiếm phần lớn sản xuất sơ cấp; quá trình hóa tổng hợp đóng góp cục bộ tại các miệng phun và mạch rò rỉ dưới đáy biển.

Sản xuất sơ cấp là nguồn năng lượng cho toàn bộ chuỗi thức ăn biển và ảnh hưởng đến nồng độ carbon dioxide trong khí quyển thông qua cơ chế bơm carbon sinh học. Tốc độ sản xuất sơ cấp rất khác nhau—từ các xoáy nước cận nhiệt đới nghèo dinh dưỡng đến các vùng nước trồi ven biển có năng suất cao và hiện tượng nở hoa tảo mùa xuân ở vùng cực. Ánh sáng, chất dinh dưỡng, nhiệt độ và sự ăn cỏ kiểm soát sản lượng thực tế.

Các nhà hải dương học đo lường năng suất sơ cấp bằng cách sử dụng phương pháp ủ mẫu với chất đánh dấu đồng vị, theo dõi sự thay đổi oxy hoặc carbon dioxide, và thông qua các thuật toán vệ tinh liên hệ màu sắc đại dương với chất diệp lục và năng suất. Năng suất sơ cấp toàn cầu của đại dương ước tính khoảng 50 tỷ tấn carbon mỗi năm, tương đương với năng suất trên đất liền. Sự thay đổi về lượng hoặc vị trí của năng suất sơ cấp có tác động dây chuyền đến ngành thủy sản và quá trình hấp thụ carbon.

Hiện tượng nở hoa tảo mùa xuân có thể làm tăng gấp đôi sinh khối tảo phù du của một khu vực chỉ trong vài ngày khi ánh sáng và chất dinh dưỡng đồng đều.