光合作用或化能合成生物利用無機碳合成有機物的過程稱為初級生產。在海洋中，浮游植物的光合作用佔初級生產的絕大部分；化能合成作用則在熱液噴口和滲漏點等局部區域有所貢獻。

初級生產力為整個海洋食物網提供能量，並透過生物碳泵影響大氣中的二氧化碳水平。初級生產力差異巨大——從營養貧瘠的亞熱帶環流區到高生產力的沿岸上升流區和極地春季藻華區。光照、營養、溫度和攝食共同控制實際的初級生產力。

海洋學家利用同位素示踪劑進行培養實驗、追蹤氧氣或二氧化碳的變化，以及透過衛星演算法將海洋顏色與葉綠素和生產力聯繫起來，從而測量海洋初級生產力。全球海洋初級生產力估計約為每年500億噸碳，與陸地初級生產力相當。初級生產力的數量或位置的變化會對漁業和碳封存產生連鎖反應。

當光照和營養物質條件適宜時，春季浮游植物大量繁殖可在幾天內使一個地區的浮游植物生物量增加一倍。