Carbon dioxide rất quan trọng vì nó được sử dụng trong quá trình quang hợp, một quá trình cần thiết cho sự tồn tại của sự sống trên Trái đất. Carbon dioxide cũng là một khí nhà kính quan trọng giúp giữ nhiệt trong khí quyển và nó đóng một vai trò quan trọng trong chu trình carbon của Trái đất.
Thực vật và một số vi sinh vật sử dụng một quá trình sinh hóa gọi là quang hợp để tạo ra thức ăn bằng cách sử dụng hết carbon dioxide. Những sinh vật này kết hợp carbon dioxide và nước để tạo ra carbohydrate đồng thời tạo ra oxy. Sự gia tăng của các sinh vật quang hợp làm giảm mức độ carbon dioxide dẫn đến mức độ oxy tăng lên và sự phát triển của các sinh vật thở oxy.
Carbon dioxide góp phần vào hiệu ứng nhà kính bằng cách can thiệp vào sự trở lại của năng lượng từ bề mặt Trái đất vào không gian bởi bức xạ hồng ngoại. Khí nhà kính hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Không có carbon dioxide trong khí quyển, khí hậu Trái đất sẽ mát mẻ hơn nhiều.
Carbon dioxide hoạt động như một chất đệm khí hậu, bởi vì phản hồi trong chu kỳ carbon giúp duy trì nhiệt độ toàn cầu để khí hậu Trái đất không quá nóng hoặc quá lạnh để hỗ trợ sự sống. Khí thải từ bên trong Trái đất tại các núi lửa đang hoạt động, vòng cung núi lửa và các rặng núi giữa đại dương là nguồn carbon dioxide chính. Một số khí carbon dioxide thải ra ngoài vẫn còn trong khí quyển, nhưng một số được hòa tan trong đại dương hoặc được lưu trữ dưới dạng sinh khối trong các sinh vật đang sống hoặc đang phân hủy.
