외부의 이산화탄소를 생체가 동화(同化)하여 유기화합물을 합성하는 과정. 넓은 뜻으로는 탄산암고정(炭酸暗固定)도 포함한다.

독립영양생물이 하는 광합성이나 화학합성이 탄소동화작용인데, 동화에 필요한 에너지를 빛에너지 또는 무기물의 산화 때 방출되는 에너지에서 얻어 유기화합물을 합성한다.

탄산암고정이란 빛에너지나 무기물의 산화에너지를 쓰지 않고 이루어지는 탄소고정을 말한다.

녹색식물이 하는 탄소동화작용의 경우는, 광합성 색소를 통해 포착된 빛에너지가 명반응(明反應)에 의해 NADPH(환원형 니코틴산아미드아데닌디뉴클레오티드인산)와 ATP(아데노신삼인산)의 화학에너지로 바뀌어, 이 에너지가 탄소동화작용을 진행한다.

온대(溫帶)에 생육하는 C형의 식물(환원적 펜토오스인산회로에 의해 초기의 탄소동화작용을 하는 식물)에서는 광합성의 초기 동화산물(同化産物)은 당(糖)인산인데, 그 생성의 과정에는 엽록체의 스트로마 부분에 존재하는 리불로오스이인산 카르복실라아제라는 효소가 관여한다.

즉, 이산화탄소는 이 효소에 의해 리불로오스이인산과 반응, 2분자의 포스포글리세린산이 되고, 이것이 칼빈회로에서 대사(代謝)되어 당인산이 생성되는 것이다.

이 경로는 녹색식물 일반에 공통인 탄소동화작용 경로인데, 일부식물에서는 생태적(生態的) 적응에 의해 탄소동화작용의 메커니즘이 다르다.