Laut
Samudra memiliki kuantitas karbon terbesar yang didaur secara aktif, dan jumlah karbon yang terkandung di dalam samudra juga merupakan yang terbesar kedua setelah litosfer. Lapisan permukaan samudra mengandung banyak sekali karbon organik terlarut, yang seringkali ditukar dengan karbon di atmosfer. Sementara itu, konsentrasi karbon anorganik terlarut di lapisan dalam samudra tercatat sekitar
15 persen lebih tinggi ketimbang konsentrasi di lapisan permukaan, dan karbon di lapisan dalam akan tetap berada di sana dalam waktu yang panjang. Arus termohalin menukar karbon di antara kedua lapisan tersebut.
Karbon dari atmosfer memasuki samudra dan mengalami pelarutan di lapisan permukaan, dan lalu berubah menjadi asam karbonat, karbonat dan bikarbonat:
Karbon juga masuk ke laut lewat sungai dalam bentuk karbon organik terlarut, dan lalu diubah oleh organisme yang berfotosintesis menjadi karbon organik. Karbon ini dapat didaur di rantai makanan atau mengalami presipitasi ke lapisan yang lebih dalam dan kaya akan karbon sebagai jaringan lunak mati atau di dalam cangkang-cangkang dan tulang-tulang sebagai kalsium karbonat. Karbon ini
beredar di lapisan ini dalam waktu yang panjang sebelum mengendap sebagai sedimen atau kembali ke permukaan melalui arus termohalin.
Air laut bersifat sedikit alkali dan memiliki rata-rata pH sekitar 8.2 selama 300 juta tahun terakhir. Baru-baru ini, aktivitas manusia dengan cepat meningkatkan kadar karbon dioksida di atmosfer. Sekitar 30-40% dari tambahan CO diserap oleh samudra, sehingga membentuk asam karbonat dan menurunkan pH (sekarang di bawah 8.1) melalui proses yang disebut peningkatan keasaman samudra. Kadar pH diperkirakan
akan turun hingga 7.7 (peningkatan konsentrasi ion hidrogen sebesar 3 kali lipat) pada tahun 2100, yang merupakan perubahan besar dalam kurun waktu satu abad.
Salah satu unsur penting dalam pembentukan material kerangka pada hewan-hewan laut adalah kalsium, tetapi kalsium karbonat menjadi semakin mudah larut jika tekanan semakin tinggi, sehingga cangkang dan kerangka akan mengalami pelarutan apabila berada di bawah kedalaman kompensasi karbonat. Kalsium karbonat juga menjadi semakin mudah larut jika kadar pH lebih rendah,
sehingga pengasaman samudra kemungkinan akan berdampak besar terhadap organisme-organisme laut yang memiliki cangkang seperti tiram, kerang, bulu babi, dan koral, karena kemampuan mereka untuk membentuk cangkang akan berkurang, dan kedalaman kompensasi karbonat akan semakin mendekati permukaan laut. Organisme planktonik yang juga akan terkena dampak dari pengasaman meliputi
moluska-moluska mirip siput yang dikenal sebagai pteropoda, serta alga bersel tunggal yang disebut kokolitofor dan foraminifera. Organisme-organisme ini merupakan bagian penting dari rantai makanan dan penurunan jumlah mereka akan berdampak besar terhadap ekosistem. Di kawasan tropis, koral akan sangat terdampak karena koral akan semakin sulit membentuk kerangka yang terbuat dari kalsium karbonat, dan ini akan berdampak pada hewan-hewan lainnya yang tinggal di terumbu karang.
Dalam riwayat geologi Bumi, belum ada peristiwa yang sebanding dengan perubahan tingkat keasaman di laut seperti yang terjadi saat ini, sehingga tidak diketahui secara pasti bagaimana ekosistem laut akan beradaptasi. Hal ini dapat semakin diperparah oleh efek dari peningkatan suhu dan penurunan kadar oksigen. Samudra adalah tempat tinggal beranekaragam kehidupan yang
memanfaatkannya sebagai habitat. Sinar matahari hanya menerangi lapisan-lapisan atas laut, sehingga sebagian besar samudra berada dalam kegelapan permanen. Di setiap tingkatan kedalaman dan zona suhu, terdapat habitat-habitat tersendiri untuk spesies-spesies yang unik, sehingga lingkungan laut memiliki keanekaragaman hayati yang tinggi. Terdapat bermacam-macam habitat laut, dari habitat di
permukaan laut hingga palung yang paling dalam. Beberapa contohnya adalah terumbu karang, hutan kelp, padang lamun, kolam pasang-surut, dasar laut yang berlumpur, berpasir dan berbatu, serta zona pelagik terbuka. Organisme yang hidup di laut juga bermacam-macam, dari paus dengan panjang yang mencapai 30 meter hingga fitoplankton dan zooplankton mikroskopis, fungi, dan bakteri. Kehidupan
laut berperan penting dalam siklus karbon sebagai organisme fotosintetik yang mengubah karbon dioksida terlarut menjadi karbon organik.
Kehidupan mungkin bermula di laut dan semua filum hewan terwakili di sana. Para ilmuwan saat ini masih memperdebatkan tempat kemunculan kehidupan secara pasti: percobaan Miller-Urey menunjukkan bahwa kehidupan mungkin muncul secara abiogenesis di sebuah "sup" kimia encer di perairan terbuka, tetapi baru-baru ini muncul dugaan bahwa kehidupan pertama kali muncul di mata air panas
vulkanik, sedimen tanah liat, atau ventilasi hidrotermal di dasar laut, dan semua tempat ini akan melindungi kehidupan awal dari radiasi ultraviolet yang tidak diserap oleh atmosfer Bumi pada masa itu. Secara horizontal, habitat laut dapat dibagi menjadi habitat lautan terbuka dan pesisir. Habitat pesisir terbentang dari garis pantai hingga ujung landas benua. Kebanyakan kehidupan laut dapat ditemui di habitat pesisir,
meskipun landas benua hanya mencakup 7% dari luas seluruh samudra. Habitat lautan terbuka terletak di samudra dalam di landas benua. Selain pembagian secara horizontal, habitat laut dapat dibagi secara vertikal menjadi habitat pelagik (perairan terbuka), demersal (di atas dasar laut), dan bentik (dasar laut). Pembagian ketiga adalah menurut garis lintang: dari perairan tropis, sedang, sampai kutub.
Terumbu karang, yang disebut "hutan hujan di laut", menduduki kurang dari 0.1 persen permukaan samudra dunia, tetapi ekosistemnya mencakup 25 persen dari seluruh spesies laut. Terumbu karang yang paling dikenal adalah terumbu karang tropis seperti Great Barrier Reef di Australia. Walaupun begitu, karang juga dapat ditemui di perairan dingin, dan terdapat enam spesies koral yang terlibat dalam
pembentukan karang di perairan tersebut, yaitu "Lophelia pertusa", "Madrepora oculata", "Goniocorella dumosa", "Oculina varicosa", "Enallopsammia profunda", dan "Solenosmilia variabilis".
Produsen primer seperti tumbuhan dan plankton tersebar luas di laut dan juga sangat penting bagi ekosistem. Diperkirakan setengah dari oksigen dunia dihasilkan oleh fitoplankton. Sekitar 45 persen produksi primer di laut dihasilkan oleh diatom. Alga yang jauh lebih besar, yang umum dikenal dengan sebutan gulma laut, juga penting di tingkatan lokal: "Sargassum" mengambang di permukaan, sementara kelp
membentuk hutan dasar laut. Tumbuhan berbunga dalam bentuk lamun tumbuh di "padang rumput" di perairan dangkal berpasir, sementara pohon bakau menghiasi daerah pesisir di kawasan tropis dan subtropis, dan tumbuhan-tumbuhan yang toleran terhadap garam berkembang di rawa asin yang mengalami banjir secara berkala. Semua habitat tersebut dapat menangkap dan menyimpan karbon dalam jumlah yang besar, dan juga menopang keragaman hayati yang terdiri dari hewan-hewan besar dan kecil.
Sinar hanya dapat menembus permukaan laut di atas 200 m, sehingga tumbuhan hanya dapat tumbuh di bagian ini. Bagian permukaan seringkali kekurangan komponen-komponen nitrogen yang aktif secara biologis. Siklus nitrogen di laut terdiri dari proses transformasi mikrobial yang meliputi pengikatan nitrogen, asimilasi nitrogen, nitrifikasi, anamoks, dan denitrifikasi. Beberapa proses tersebut terjadi di laut dalam,
sehingga pertumbuhan tumbuhan lebih besar di daerah yang mengalami pembalikan massa air, dan juga di daerah dekat muara yang mengandung nutrien yang terbawa dari daratan. Maka dari itu, wilayah yang paling produktif, kaya akan plankton, dan juga kaya akan ikan umumnya terletak di daerah pesisir.