Esta etapa também é conhecida por fase escura. Embora não seja dependente da luz, é dependente de substâncias produzidas na etapa fotoquímica (ATP e NADPH₂). Pode, obviamente, ocorrer na presença da luz.

A energia assimilada na fase clara é empregada para incorporar átomos de carbono em moléculas orgânicas.

A redução do CO₂ pode ser assim representada:

A incorporação do carbono ocorre em uma seqüência cíclica de reações, o ciclo de Calvin ou ciclo das pentoses. As reações da fase escura se processam no estroma dos cloroplastos.

A expressão entre parênteses indica o número de átomos de carbono de cada uma das moléculas.

A ribulose é uma pentose, presente nos cloroplastos, que participa das reações do ciclo de Calvin ou ciclo das pentoses.

Monocotiledôneas, como o milho e a cana-de-açúcar, e algumas dicotiledôneas de florestas tropicais incorporam átomos de carbono através de outras vias metabólicas, diferentemente do ciclo de Calvin.