在陽光照射的上層海洋中，微小的藻類和較大的海藻捕捉光能，並將二氧化碳和水轉化為有機物和氧氣。這個過程——光合作用——構成了幾乎所有海洋食物網的基礎，並為地球大氣層提供了相當一部分氧氣。

浮游植物承擔了海洋光合作用的大部分工作。它們的生產力受光照（光照強度隨深度增加而減弱）以及氮、磷、鐵等營養物質的限制。光合作用與呼吸作用達到平衡的深度稱為補償深度；低於此深度，淨生長無法維持。光照和營養物質的季節性和區域性變化造就了我們熟悉的春季藻華和亞熱帶貧營養沙漠的景象。

測量光合作用的方法包括瓶式培養、螢光技術和衛星葉綠素估算。產生的有機碳要麼為食物網提供能量，要麼在上層海洋中被呼吸作用消耗，要麼作為生物碳泵的一部分沉入深海。溫度、分層和營養物質供應的變化已經改變了海洋初級生產的模式。

• 光能轉化為有機物
• 主要由海洋中的浮游植物完成
• 海洋食物網的基礎和氧氣來源
• 受光照和營養限制