大致可分為三個階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。
羧化階段
核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）在核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶（ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco）催化下，與CO2結合，產物很快水解為二分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）反應過程。Rubisco是植物體內含量最豐富的酶，約占葉中可溶蛋白質總量的40%以上，由8個大亞基（約56KD）和8個小亞基（約14KD）構成，活性部位位于大亞基上。大亞基由葉綠體基因編碼，小亞基由核基因編碼。
還原階段
3-磷酸甘油酸在3-磷酸甘油酸激酶（PGAK）催化下，形成1,3-二磷酸甘油酸（DPGA），然后在甘油醛磷酸脫氫酶作用下被NADPH還原，變為甘油醛-3-磷酸（GAP），這就是CO2的還原階段。
羧化階段產生的PGA是一種有機酸，尚未達到糖的能級，為了把PGA轉化成糖，要消耗光反應中產生的同化力。ATP提供能量，NADPH提供還原力使PGA的羧基轉變成GAP的醛基，這也是光反應與暗反應的聯結點。當CO2被還原為GAP時，光合作用的貯能過程即告完成。
再生階段
是由GAP經過一系列的轉變，重新形成CO2受體RuBP的過程。這里包括了形成磷酸化的3-、4-、5-、6-、7-碳糖的一系列反應(見圖3-10)。最后一步由核酮糖－5－磷酸激酶(Ru5PK)催化，并消耗1分子ATP，再形成RuBP，構成了一個循環。C3途徑的總反應式為：
3CO2 + 5H2O + 9ATP + 6NADPH+6H+ →GAP + 9ADP + 8Pi + 6NADP+
出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環同化CO2的能量轉換效率為90%。(即478/（32×3+217×2）)，由此可見，其能量轉換效率是非常高的。
由上式可見，每同化一個CO2，要消耗3個ATP和2個NADPH。還原3個CO2可輸出一個磷酸丙糖(GAP或DHAP)。磷酸丙糖可在葉綠體內形成淀粉或運出葉綠體，在細胞質中合成蔗糖。若按每同化1molCO2可貯能478kJ,每水解1molATP和氧化1molNADPH可分別釋放能量32kJ和217kJ計算，則通過卡爾文循環同化CO2的能量轉換效率為90%。(即478/（32×3+217×2），由可見，其能量轉換效率是非常高的。