Niezależne od światła reakcje fotosyntezy, znane jako reakcje ciemne, wykorzystują ATP i NADPH generowane podczas reakcji światła na syntezę prekursorów cukru. W najczęstszym scenariuszu, zwanym cyklem Calvina, dwutlenek węgla jest włączony w stabilny trójwęglowy związek zwany fosfoglicerynianem (PGAL), który służy jako prekursor glukozy i innych cukrów. Sześć zwojów cyklu Calvina generuje odpowiednik jednej cząsteczki glukozy.
Biolodzy dzielą rośliny na trzy kategorie o nazwie C3, C4 i CAM, oparte na mechanizmie i lokalizacji mrocznych reakcji fotosyntezy. Większość roślin oznaczono jako C3, co oznacza, że pierwszym stabilnym związkiem wytwarzanym w ciemnych reakcjach jest PGAL. Ta droga jest optymalna dla roślin żyjących w łagodnych warunkach z obfitą wilgocią i dwutlenkiem węgla. Przykłady roślin C3 obejmują pszenicę, ryż, owies i pomidory.
W przeciwieństwie do roślin C4 mają tendencję do przebywania w cieplejszych, suchszych środowiskach. Przykłady obejmują kukurydzę, trzcinę cukrową i sorgo. Aby zminimalizować utratę wody, rośliny C4 mają wyspecjalizowaną strukturę zwaną anatomią Kranz, w której fotosynteza odbywa się w komórkach ułożonych jako warstwa osłony wieńcowej lub wiązki. Rośliny C4 łączą dwutlenek węgla z fosfoenolopirogronianem, tworząc OAA (szczawiooctan). OAA przekształca się w jabłczan, który dyfunduje do komórek osłonki wiązki i uwalnia dwutlenek węgla, który natychmiast wchodzi do cyklu Calvina. Koncentrując dwutlenek węgla w najbardziej wewnętrznej warstwie komórek rośliny, traci się mniej wody z powodu transpiracji.
W końcu niektóre rośliny pustynne, takie jak kaktusy i agawa, opracowały fotosyntezę o nazwie CAM, która oznacza metabolizm kwasu krasulasowego. Rośliny te muszą oszczędzać wodę jeszcze wydajniej niż rośliny C4. Zamiast utrzymywać otwarte komórki szparkowe (komórki porów) w ciągu dnia, takie jak rośliny C3 i C4, rośliny CAM utrzymują je otwarte w nocy, aby gromadzić dwutlenek węgla, który magazynują jako jabłczan lub asparaginian w wewnątrzkomórkowej wakuoli. W ciągu dnia fabryka czerpie z tych rezerw dwutlenku węgla, kierując CO2 do cyklu Calvina bez utraty wody do środowiska. To wyjaśnia, dlaczego chloroplasty kaktusów znajdują się w ciele rośliny, a nie w liściach. Cykl CAM uwzględnia również zdolność przetrwania kserofitów (roślin pustynnych) przez miesiące lub lata bez deszczu.
