Chiilidioksidi liukenee valtamereen ja muodostuuhiilihappo(H2CO3),bikarbonaatti(HCO3−) jakarbonaatti(CO32−). Siellä on noint viisikymmentä kertaa enemmän hiiltä liuennut valtameriin kuin ilmakehässä. Valtameret toimivat valtavanahiilinieluja ovat ottaneet noin kolmanneksen ihmisen toiminnan aiheuttamasta hiilidioksidipäästöistä.
Hiilidioksidipitoisuuden kasvaessa ilmakehässä lisääntynyt hiilidioksidin otto valtameriin aiheuttaa valtamerten pH:n mitattavissa olevan laskun, jota kutsutaan ns.valtamerten happamoitumista. Tämä pH:n lasku vaikuttaa valtamerten biologisiin järjestelmiin, pääasiassa valtameriinkalkkiutuvateliöt. Nämä vaikutukset kattavatravintoketjualkaenautotrofitkohtaanheterotrofitja sisältävät organismit, kutenkokkolitoforit, korallit, foraminifera, piikkinahkaiset, äyriäisiäjanilviäisiä. Normaaleissa olosuhteissa kalsiumkarbonaatti on stabiili pintavesissä, koska karbonaatti-ioni onylikyllästäväpitoisuudet. Kuitenkin, kun valtameren pH laskee, myös tämän ionin pitoisuus laskee, ja kun karbonaatti tulee alikyllästyneeksi, kalsiumkarbonaatista tehdyt rakenteet ovat herkkiä liukenemiselle. korallit,kokkolitoforilevät, korallilevät, foraminiferat,äyriäisiäjapteropodskokevat vähentynyttä kalkkeutumista tai lisääntynyttä liukenemista altistuessaan kohonneelle CO2:lle. Kaasun liukoisuus heikkenee veden lämpötilan noustessa (paitsi silloin, kun paine ylittää 300 baaria ja lämpötila yli 393 K, löytyy vain syvien geotermisen tuuletusaukkojen läheisyydestä) ja siten ilmakehästä imeytymisnopeus laskee valtamerten lämpötilan noustessa.
Suurin osa valtameren sitomasta hiilidioksidista, joka on noin 30 % ilmakehään vapautuvasta kokonaismäärästä, muodostaa hiilihappoa tasapainossa bikarbonaatin kanssa. Joitakin näistä kemiallisista lajeista kuluttavat fotosynteettiset organismit, jotka poistavat hiiltä kierrosta. Lisääntynyt CO2 ilmakehässä on johtanut laskuunalkalisuusmerivedestä, ja on huolestuttavaa, että tämä voi vaikuttaa haitallisesti vedessä eläviin organismeihin. Erityisesti emäksisyyden aleneessa karbonaattien saatavuus kuorien muodostamiseen heikkenee, vaikka on näyttöä siitä, että tiettyjen lajien kuorituotanto lisääntyy lisääntyneen CO2-pitoisuuden vuoksi.NOAA toteaa toukokuussa 2008 "State of the Science -tietolomakkeessavartenvaltamerten happamoitumista" että:"Valtameret ovat absorboineet noin 50 % fossiilisten polttoaineiden palamisesta vapautuvasta hiilidioksidista (CO2), mikä on johtanut kemiallisiin reaktioihin, jotka alentavat valtamerten pH:ta. Tämä on aiheuttanut vetyionien (happamuuden) kasvun noin 30 % teollisen aikakauden alusta lähtien "meren happamoitumisena" tunnetun prosessin kautta. Yhä useammat tutkimukset ovat osoittaneet haitallisia vaikutuksia meren eliöihin, mukaan lukien: Riuttoja rakentavien korallien luurankoja tuottava nopeus laskee, kun taas lukuisten meduusalajien tuotanto lisääntyy.
Merilevien ja vapaasti uivan eläinplanktonin kyky ylläpitää suojaavia kuoria heikkenee.
Meren toukkalajien, mukaan lukien kaupalliset kalat ja äyriäiset, eloonjääminen heikkenee."
Myös Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) kirjoittaa ilmastonmuutosraportissaan 2007: Synthesis Report: "Ihmisperäisen hiilen otto vuodesta 1750 lähtien on johtanut valtameren happamoitumiseen ja pH:n keskimääräiseen laskuun 0,1 yksikköä ilmakehän hiilidioksidipitoisuuksien kasvu lisää happamoitumista... Vaikka valtamerten happamoitumisen vaikutuksia meren biosfääriin ei vielä ole dokumentoitu, valtamerten asteittain happamoitumisen odotetaan vaikuttavan kielteisesti meren kuoria muodostaviin organismeihin (esim. ja niistä riippuvaiset lajit."
Suuret tutkimuslaitokset, kuten NOAA, OSPAR-komissio, NANOOS ja IPCC, ovat valinneet joitakin meren kalkkeutuvia organismeja (mukaan lukien koralliriutat), koska niiden uusimmat tutkimukset osoittavat, että valtamerten happamoitumisen odotetaan vaikuttavan niihin negatiivisesti.Hiilidioksidia johdetaan myös valtameriin hydrotermisten aukkojen kautta. Champagnen hydroterminen tuuletusaukko, joka löytyy osoitteesta Luoteis-Eifuku volcano atMarianas Trench Marine National Monument, tuottaa lähes puhdasta nestemäistä hiilidioksidia, yksi kahdesta tunnetusta paikasta maailmassa.
