Karanlık reaksiyonlar olarak bilinen ışık bağımsız fotosentez reaksiyonları, şeker öncüllerini sentezlemek için ışık reaksiyonları sırasında üretilen ATP ve NADPH'yi kullanır. En yaygın senaryoda, Calvin Cycle, karbondioksit glikoz ve diğer şekerlerin öncüsü olarak işlev gören fosfolgliserat (PGAL) adlı stabil üç karbonlu bir bileşiğe dahil edilir. Calvin Cycle'ın altı dönüşü bir glikoz molekülünün eşdeğerini oluşturur.
Biyologlar, bitkileri, fotosentezin karanlık reaksiyonlarının mekanizmasını ve yerini temel alarak C3, C4 ve CAM adı verilen üç kategoriye ayırırlar. Çoğu bitki C3 olarak tanımlanır, yani karanlık reaksiyonlarda ürettikleri ilk kararlı bileşik PGAL'dir. Bu yol, bol nemli ve karbondioksitli hafif ortamlarda yaşayan bitkiler için idealdir. C3 bitkilerinin örnekleri arasında buğday, pirinç, yulaf ve domates bulunur.
Buna karşılık, C4 bitkileri daha sıcak ve kuru ortamlarda yaşama eğilimindedir. Örnekler mısır, şeker kamışı ve sorgumdur. Su kaybını en aza indirmek için, C4 bitkileri, Kranz anatomisi adı verilen özel bir yapıya sahiptir, ki burada bir çelenk veya demet kılıf tabakası olarak düzenlenmiş hücrelerde fotosentez yapılır. C4 bitkileri OAA'yı (oksaloasetat) oluşturmak için karbon dioksiti fosfoenolpiruvat ile birleştirir. OAA, demet kılıf hücrelerine yayılan ve derhal Calvin Cycle'a giren karbondioksit salgılayan malaya dönüştürülür. Bitkinin en içteki hücre katmanındaki karbondioksiti konsantre ederek, terleme nedeniyle daha az su kaybedilir.
Son olarak, kaktüsler ve agav gibi bazı çöl bitkileri, Yeşillik Asit Metabolizması anlamına gelen CAM adlı bir fotosentez şekli geliştirdi. Bu bitkilerin suyu C4 bitkilerinden daha verimli şekilde muhafaza etmeleri gerekir. Stomalarını (gözenek hücreleri) C3 ve C4 bitkileri gibi gün boyunca açık tutmak yerine, CAM bitkileri malat veya hücre içi bir vakumda aspartat olarak depoladıkları karbondioksiti biriktirmek için geceleri açık tutarlar. Gün boyunca, tesis CO2'yi çevreye su kaybetmeden Calvin Cycle'a kanalize ederek bu karbondioksit rezervlerinden yararlanır. Bu, kaktüslerin kloroplastlarının neden yapraklarda değil de bitkinin vücudunda bulunduğunu açıklar. CAM çevrimi aynı zamanda xerofitlerin (çöl bitkileri) aylarca veya yağmur olmadan hayatta kalabilmelerini de sağlar.
