Reacțiile de fotosinteză independente de lumină, cunoscute sub numele de reacții întunecate, utilizează ATP și NADPH generate în timpul reacțiilor la lumină pentru a sintetiza precursorii de zahăr. În cel mai comun scenariu, numit ciclul Calvin, este încorporat într-un compus stabil de trei carbon numit fosfoglicerat (PGAL), care servește drept precursor al glucozei și al altor zaharuri. Șase rotații ale ciclului Calvin generează echivalentul unei molecule de glucoză.
Biologii împart plantele în trei categorii numite C3, C4 și CAM, bazate pe mecanismul și localizarea reacțiilor întunecate ale fotosintezei. Majoritatea plantelor sunt desemnate C3, adică primul compus stabil pe care îl generează în reacțiile întunecate este PGAL. Această cale este optimă pentru plantele care trăiesc în medii ușoare, cu umiditate abundentă și dioxid de carbon. Exemple de plante C3 includ grâu, orez, ovăz și roșii.În contrast, plantele C4 tind să locuiască în zone mai fierbinți și mai uscate. Exemplele includ porumb, trestie de zahăr și sorg. Pentru a minimiza pierderea apei, plantele C4 au o structură specializată numită anatomie Kranz, în care fotosinteza are loc în celule dispuse ca un strat de coronament sau un strat de manta. Plantele C4 combină dioxidul de carbon cu fosfoenolpiruvat pentru a forma OAA (oxaloacetat). OAA este transformată în malat, care se difuzează în celulele tecii și eliberează dioxid de carbon, care intră prompt în ciclul Calvin. Prin concentrarea dioxidului de carbon în stratul interior celular al plantei, se pierde mai puțină apă din cauza transpirației.
În cele din urmă, anumite plante de deșert, cum ar fi cactușii și agavele, au dezvoltat o formă de fotosinteză numită CAM, care reprezintă Metabolismul acidului crassulacean. Aceste plante trebuie să conserve apa chiar mai eficient decât plantele C4. În loc să-și mențină stomatele (celulele poroase) în timpul zilei, cum ar fi plantele C3 și C4, plantele CAM le mențin deschise noaptea pentru a acumula dioxid de carbon, pe care îl depozitează sub formă de malat sau aspartat într-un vacuol intracelular. În timpul zilei, planta pune în rezervă aceste rezerve de dioxid de carbon, direcționând CO2 în ciclul Calvin fără a pierde apă în mediul înconjurător. Aceasta explică de ce cloroplastele de cactuși se găsesc mai degrabă în corpul plantei decât în frunze. Ciclul CAM contribuie, de asemenea, la capacitatea xerofitelor (plantelor de deșert) de a supraviețui luni sau ani fără ploaie.
