Для темновой фазы фотосинтеза обязательными компонентами являются АТФ и НАДФ·Н (из световой фазы), углекислый газ (из атмосферы) и вода. Происходит в строме хлоропласта.
В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ·Н происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Избыток глюкозы запасается в виде крахмала.
Восстановительный пентозофосфатный цикл, цикл Кальвина — серия биохимических реакций, осуществляемая при фотосинтезе растениями (в строме хлоропластов), и многими бактериями, является наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации CO2.
В ходе темновой фазы у большинства растений в реакциях цикла Кальвина образуются две молекулы трёхуглеродного соединения (3-фосфоглицериновой кислоты), а из них глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO2, 12 НАДФ·Н и 18 АТФ. Такой тип процесса называется С3-фотосинтез.
С4-фотосинтез более эффективен в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению CO2 в лист. Он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы.
Фотодыхание (гликолатный путь, С2-фотосинтез) — стимулируемое светом выделение углекислого газа и поглощение кислорода у растений преимущественно с С3-типом фотосинтеза.
