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  卡尔文循环将每个个别的CO附着在一个称为二磷酸核酮糖(ribulose bisphosphate;简称RuBP)的五碳糖磷酸酯上。催化这起始步骤的酵素是二磷酸核酮糖羧化酶(RuBP carboxylase,又称rubisco,简写RuBisCO,是叶绿体中含量最多的蛋白质,同时也因另一个反应而称为1,5-二磷酸核酮糖加氧酶)。这个反应的产物,是一种含6个碳且不稳定的中间产物,其立即就会分裂为二摩尔的3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate)。

  每个的3-磷酸甘油酸会接收一个额外的磷酸根,接着有一种酵素会将此磷酸根转换为ATP。接着由NADPH所捐出的电子对,会使1,3-二磷酸甘油酸(1,3-bisphosphoglycerate)变成甘油醛-3-磷酸(PGAL)。由NADPH而来的电子减少了3-磷酸甘油酸中的羧基(carboxyl group),使PGAL生成一个羰基(carbonyl group),如此可驻留更多的位能。  G3P是一种由葡萄糖经过糖酵解所产生的三碳糖。每3摩尔的CO可产生6摩尔的PGAL,但是只有1摩尔的这种三碳糖能够真正被获得。循环一开始是以具有15个碳的碳水化合物去形成3摩尔的五碳糖RuBP。现在具有18个碳的碳水化合物形成了六摩尔的PGAL,1摩尔脱离了循环而被植物细胞所使用,但是其他的5摩尔则必须被回收以形成3摩尔的RuBP。

  在一连串反应中,5摩尔G3P碳骨架,在卡尔文循环的最后一个步骤被重新分配为3摩尔的RuBP。为了完成这个步骤,此循环多耗费了3摩尔的ATP,接着RuBP又准备好再度接收CO,使整个循环又可以继续。为了合成1摩尔G3P,卡尔文循环总共需消耗9摩尔的ATP和6摩尔的NADPH,然后借由光反应可再补充这些ATP和NADPH。G3P是卡尔文循环中的副产品,并且又是整个新陈代谢步骤的起动物质,可以用来以合成其他的有机化合物,包括葡萄糖和其他碳水化合物。  单独的光反应和单独的卡尔文循环,都不能直接利用CO来制造葡萄糖。光合作用是一种在完整的叶绿体中会自然发生的现象,而且叶绿体整合了光合作用的两个阶段。
卡尔文循环(英语:Calvin cycle,或简称卡氏循环,又译作开尔文循环)是由美国加州大学伯克利分校梅尔文·卡尔文、安德鲁·本森和詹姆士·巴沙姆 3 人发现。梅尔文·卡尔文于1961年获得诺贝尔化学奖。卡尔文循环是光合作用里碳反应的一部分,反应场所为叶绿体内的基质,分为三个阶段:羧化、还原和二磷酸核酮糖的再生。