ה פחמן מחזור מתאר את האחסון והחילוף של הפחמן בין כדור הארץ ביוספירה (חומר חי), אווירה (אוויר), הידרוספרה (מים) וגיאוספרה (אדמה). מאגרי הפחמן העיקריים הם האטמוספירה, הביוספירה, האוקיאנוס, המשקעים ופני כדור הארץ. פעילויות טבעיות וגם אנושיות מעבירות פחמן בין המאגרים.
פחמן הוא אלמנט שהוא חיוני לחיים כידוע. אורגניזמים חיים משיגים פחמן מסביבתם. כאשר הם מתים, פחמן מוחזר לסביבה שאינה חיה. אולם, ה ריכוז מכמות הפחמן בחומר חי (18%) גבוהה פי מאה מריכוז הפחמן בכדור הארץ (0.19%). ספיגת הפחמן באורגניזמים חיים והחזרת הפחמן לסביבה שאינה חיה אינם באיזון.
הסיבה השנייה הגדולה היא שמחזור הפחמן ממלא תפקיד מפתח ב- אקלים עולמי. למרות שמחזור הפחמן הוא עצום, בני האדם מסוגלים להשפיע עליו ולשנות את המערכת האקולוגית. דו תחמוצת הפחמן המשתחררת בשריפת דלק מאובנים היא בערך כפול מהספיגה נטו מצמחים ומהאוקיאנוס.
הסביבה שאינה חיה כוללת חומרים שמעולם לא היו חיים כמו גם חומרים נושאי פחמן שנשארים לאחר מות אורגניזמים. הפחמן נמצא בחלק הלא-חי של ההידרוספרה, האטמוספרה והגיאוספרה כ:
פחמן נכנס לחומר חי באמצעות אוטוטרופים, שהם אורגניזמים המסוגלים לייצר חומרים מזינים משלהם מחומרים אורגניים.
מחזור הפחמן מורכב בדרך כלל מתנועת פחמן דרך האטמוספרה, ביו-ספירות, אוקיינוס וגיאוספרה, אך מחזור הפחמן העמוק בין המעטפת לקרום הגאוספרה אינו מובן היטב כמו האחר חלקים. ללא תנועה של לוחות טקטוניים ופעילות וולקנית, בסופו של דבר הפחמן היה לכוד באטמוספירה. מדענים מאמינים שכמות הפחמן המאוחסנת במעטפת גדולה פי אלף מכמות שנמצאת על פני השטח.