Die Dunkelreaktion wird nicht etwa Dunkelreaktion genannt, weil sie im Dunklen abläuft, sondern weil für ihren Ablauf kein Licht benötigt wird. Das Ziel der Dunkelreaktion ist der Aufbau einer energiereichen Kohlenstoffverbindung (Glukose) unter Verbrauch von Kohlendioxid und Wasser. Die dazu nötige Energie wird durch die Produkte der lichtabhängigen Reaktion (NADPH + H⁺) bereitgestellt. Der Ablauf wird im Folgenden beschrieben. Hierbei kommt es im Abitur vor allem auf wesentliche Begrifflichkeiten an.

Die Dunkelreaktion bzw. der Calvin-Zyklus beschreibt die Reaktion, bei der Kohlenstoffdioxid zu Glukose reduziert wird. Für die Synthese eines Glukosemoleküls werden neben 6 Molekülen Kohlenstoffdioxid, 18 Moleküle ATP als Energielieferant und 12 NADPH + H⁺ als Protonenlieferant bzw. Reduktionsmittel benötigt. Ein Reduktionsmittel ist ein Stoff, der Elektronen abgibt und somit einen anderen Stoff reduziert. Er selbst wird dabei oxidiert. Die lichtunabhängige Reaktion kann in drei Schritte unterteilt werden:

1. Fixierung des Kohlenstoffs
2. Reduktion
3. Regeneration des CO₂ -Akzeptors

1. Fixierung des Kohlenstoffs:

   6 Moleküle CO₂ werden an die Enolform von 6 Molekülen Ribulose-1,5-biphosphat fixiert. Die Fixierung von Kohlenstoff findet durch das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-Bisphosphat-carboxylase-oxygenase) statt. Dieser Vorgang wird auch Carboxylierung genannt, da eine Carboxylgruppe (= CO₂) fixiert wird. Die durch die Fixierung entstandenen 6 C₆-Ringe sind instabil und zerfällen in 12 C₃-Moleküle. Bei diesen C₃-Molekülen handelt es sich um 3-Phosphoglycerat (3-PG).

2. Reduktion:

   Im ersten Schritt werden 12 3-Phosphoglycerat durch die Aufnahme je einer Phosphatgruppe des ATP zu 12 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) phosphoryliert. Durch die Phosphorylierung von 3-PG zu 1,3-BPG wird dieses aktiviert und liegt dadurch in einer energiereicheren Verbindung vor.

   Im zweiten Schritt werden die im ersten Schritt eingeführten Phosphatgruppen abgespalten. Dadurch wird genug Energie frei, um die Aufnahme je eines Protons und zweier Elektronen zu ermöglichen. Dadurch werden die 12 Moleküle 1,3-BPG zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) reduziert. In diesem Schritt fungiert das NADPH aus der Lichtreaktion als Reduktionsmittel.

3. Regeneration des CO₂-Akzeports:

   2 Moleküle GAP werden genutzt, um 1 Molekül Glucose herzustellen. Durch die restlichen 10 GAP-Moleküle werden über mehrere Zwischenschritte unter Verbrauch von 6 Molekülen ATP 6 Moleküle Ribulose-1,5-Biphosphat regeneriert. Somit kann die Reaktion erneut stattfinden.