光合作用或化能合成生物利用无机碳合成有机物的过程称为初级生产。在海洋中，浮游植物的光合作用占初级生产的绝大部分；化能合成作用则在热液喷口和渗漏点等局部区域有所贡献。

初级生产力为整个海洋食物网提供能量，并通过生物碳泵影响大气中的二氧化碳水平。初级生产力差异巨大——从营养贫瘠的亚热带环流区到高生产力的沿岸上升流区和极地春季藻华区。光照、营养、温度和摄食共同控制着实际的初级生产力。

海洋学家利用同位素示踪剂进行培养实验、追踪氧气或二氧化碳的变化，以及通过卫星算法将海洋颜色与叶绿素和生产力联系起来，从而测量海洋初级生产力。全球海洋初级生产力估计约为每年500亿吨碳，与陆地初级生产力相当。初级生产力的数量或位置的变化会对渔业和碳封存产生连锁反应。

当光照和营养物质条件适宜时，春季浮游植物大量繁殖可在几天内使一个地区的浮游植物生物量翻倍。