Rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie spada wraz ze wzrostem temperatury.
Ponieważ zimna woda ma większą gęstość, woda bogata w dwutlenek węgla opada w głębsze warstwy. Tylko przy ciśnieniach powyżej 300 bar i temperaturach powyżej 120 °C (393 K) jest odwrotnie, co zachodzi blisko głębokich kominów hydrotermalnych.
Oceany zawierają około 50 razy więcej dwutlenku węgla niż atmosfera. Obecnie wody powierzchniowe oceanów zawierają mniejsze stężenie dwutlenku węgla niż wynikałoby to z równowagi dla 400 ppm w powietrzu. Ocean działa jak duży pochłaniacz dwutlenku węgla z atmosfery i pochłania około jednej trzeciej dwutlenku węgla uwalnianego w wyniku działalności człowieka. W górnych warstwach oceanów jest częściowo wiązany przez fotosyntezę. Wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla zmniejsza się alkaliczność wody, co nazywa się zakwaszeniem oceanów i może mieć negatywny wpływ na ekosystemy morskie. Wiele stworzeń morskich jest wrażliwych na zmiany kwasowości oceanów. Zdarzenia zakwaszenia w historii Ziemi doprowadziły do masowego wymierania i gwałtownego spadku proliferacji gatunków w oceanach. W szczególności wpływa to na organizmy, które budują struktury z węglanu wapnia, ponieważ rozpuszcza się on wraz ze wzrostem kwasowości wody.