تمثل دورة الكربون في الغلاف الجوي عملية تبادل مركبات الكربون الغازية، وبشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون (CO2)، بين الغلاف الجوي للأرض والمحيطات والغلاف الحيوي الأرضي. إنها أحد المكونات الأسرع في دورة الكربون الإجمالية للكوكب، إذ تدعم تبادل أكثر من 200 مليار طن من الكربون (أي جيجا طن كربون أو جي تي سي) داخل وخارج الغلاف الجوي على مدار كل عام. تظل تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مستقرة على مدى فترات زمنية أطول فقط عندما يكون هناك توازن بين هذين التدفقات، الميثان (CH4) وأحادي أكسيد الكربون (CO) وهناك مركبات أخرى من صنع الإنسان موجودة بتركيزات أقل وهي أيضًا جزء من دورة الكربون في الغلاف الجوي.
أدت الأنشطة البشرية، في المقام الأول استخراج وحرق الكربون الأحفوري من الغلاف الصخري للأرض بدءًا من الثورة الصناعية، إلى الإخلال بالتوازن السابق لدورة الكربون في الغلاف الجوي وكانت مسؤولة في الغالب عن النمو السريع المستمر في تركيزات ثاني أكسيد الكربون والميثان. اعتبارًا من عام 2019، ارتفعت الانبعاثات السنوية إلى 10 جيجا طن من الكربون (جي تي سي) كل عام، بإجمالي تراكمي يبلغ 450 جي تي سي في الدورة. تمتص المصارف الأرضية والمحيطية حتى الآن نصف الكربون المضاف، ويظل النصف الآخر في الغلاف الجوي بشكل أساسي على شكل ثاني أكسيد الكربون. بافتراض استمرار الانبعاثات بنفس معدل النمو، فإن تركيز ثاني أكسيد الكربون في طريقه إلى التضاعف مرتين على الأقل بحلول النصف الأخير من هذا القرن.
تؤثر دورة الكربون في الغلاف الجوي أيضًا بقوة على توازن طاقة الأرض من خلال تأثير الاحتباس الحراري، وتؤثر على حموضة أو قلوية المياه السطحية للكوكب والتربة. على الرغم من أن الكربون يشكل أقل من 0.05% من جميع غازات الغلاف الجوي من الكسر المولي، تسبب الارتفاع الأخير في تركيزات الكربون في حدوث تسخين عالمي كبير وتحمض المحيطات. من المتوقع عمومًا أن تتسارع هذه التأثيرات أكثر حتى يثبت صافي الانبعاثات وتنخفض نسبتها.