De koolstofkringloop op aarde is de meest bekende kringloop op biogeochemisch gebied en deze beschrijft alle processen waarmee het element koolstof circuleert door het hele systeem op aarde. De kringloop van koolstof beschrijft ondermeer wat er met door mensen uitgestoten koolstofdioxide in de atmosfeer gebeurt. Omdat koolstofdioxide een voornaam broeikasgas is, vormen de onduidelijke delen binnen de koolstofkringloop een voornaam gebied van onderzoek binnen de geochemie, biochemie en klimatologie.
Door het proces van fotosynthese bij planten wordt CO2 uit de lucht hierin vastgelegd als koolhydraten. Een klein gedeelte daarvan komt door dissimilatie van een plant weer vrij.
Uit de analyse van boringen in het ijs van Antarctica is gebleken dat de kooldioxideconcentratie tenminste in de afgelopen 650.000 jaar niet hoger geweest is dan 300 ml/m³. Gedurende de IJstijden was de concentratie met 180 ml/m³ lager dan in de periodes dat het warmer was. Het begin van de Industriële revolutie liet de concentratie exponentieel stijgen. Uit bovengenoemde metingen is verder gebleken dat een verhoging met 3,2 graad Celsius op jaarbasis, aan het opwarmen van de aarde bijdraagt.
Door het verbranden van fossiele koolstofhoudende brandstoffen en door de cementproductie kwamen tussen 1980 en 1990 jaarlijks 7,1 graden Celsius vrij. Dit is inmiddels opgelopen tot jaarlijks circa 8,7 graden Celsius. Van de 7,1 graden Celsius nemen de zeeën ieder jaar 1 graad op. Hierdoor verschuift de verhoogde CO2-concentratie in de atmosfeer en de opwarming van de zeeën het diffusie-evenwicht naar de opgeloste koolstof. Hetzelfde effect zorgt eveneens voor een verhoogde fotosynthese van planten.