Wytworzony podczas fazy jasnej ATP i zredukowany NADPH zużywane są do asymilacji CO2 w związki organiczne, w fazie ciemnej fotosyntezy, zwanej cyklem Calvina.
Cykl ten obejmuje trzy etapy: karboksylację, redukcję i regenerację, a produktem końcowym jest trójwęglowy aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Stanowi on substrat do syntezy heksoz, przede wszystkim glukozy oraz innych związków.
Aby mogła powstać l cząsteczka aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL), musi nastąpić związanie podczas karboksylacji 3 cząsteczek CO2 przez 3 cząsteczki pięciowęglowego cukru o nazwie rybulozobifosforan (RuBP). Każda z powstałych cząsteczek sześciowęglowego związku rozpada się następnie na 2 cząsteczki trójwęglowego kwasu 3-fosfoglicerynowego (PGA) – ostatecznie powstaje zatem 12 cząsteczek PGA. Kwas 3-fosfoglicerynowy po fosforylacji wymagającej obecności ATP, zostaje zredukowany do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL). Redukcja odbywa się przy udziale NADPH+H+. Podczas regeneracji z 12 cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego, jakie pozostały, zostają odtworzone 3 pięciowęglowe cząsteczki RuBP, które mogą łączyć się z kolejnymi cząsteczkami CO2. Natomiast pozostała l cząsteczka PGAL jest wykorzystywana do dalszych syntez, w wyniku których powstają heksozy (przede wszystkim glukoza), a także inne metabolity (inne węglowodany, aminokwasy, tłuszczowce). Asymilacja 3 cząsteczek CO2 w celu wytworzenia l cząsteczki aldehydu 3-fosfoglicerynowego podczas cyklu Calvina wymaga dostarczenia z fazy jasnej fotosyntezy 9 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADPH+H+. Wydajność fotosyntezy wynosi 30%.
Faza ciemna fotosyntezy
Podczas fotosyntezy zachodzącej w wyższych temperaturach i przy niedoborze CO2 na skutek zamkniętych aparatów szparkowych może dochodzić do przyłączenia O2 do rybulozobifosforanu, który ulega następnie przekształceniu w inne związki (m.in. aminokwas glicynę). Wydziela się przy tym CO2. Proces taki, zwany fotooddychaniem, ogranicza fotosyntezę.
Rośliny tropikalne (np. kukurydza, trzcina cukrowa) ograniczają fotooddychanie, przeprowadzając tzw. szlak C4 (w odróżnieniu od przedstawionego wyżej szlaku C3), który polega na gromadzeniu CO2 w specjalnie do tego celu przystosowanych komórkach miękiszu asymilacyjnego, zlokalizowanych wokół wiązek przewodzących (tzw. pochwa okołowiązkowa). Odbywa się to dzięki wykorzystywaniu fosfoendopirogronianiu (PEP) dołączenia się z CO2, które zachodzi już przy niskich stężeniach CO2 (np. przy zamkniętych aparatach szparkowych). Powstały związek czterowęglowy (szczawiooctan) ulega przebudowie i przetransportowaniu do komórek, gdzie przebiega cykl Calvina. Następuje tam odłączenie się CO2, który może teraz reagować z rybulozobifosforanem w cyklu. Odtworzony też zostaje PEP, który może asymilować następną cząsteczkę CO2.