Les puits dans lesquels la séquestration peut se faire sont très variés. Toutes les enveloppes terrestres en comportent : atmosphère, biosphère, hydrosphère, lithosphère.

Les quantités actuelles de carbone fixé se répartissent à peu près ainsi :

1. 100 millions de Gt (1 Gt = 1 milliard de tonnes) pour la lithosphère : carbonate de calcium (CaCO₃) ou de magnésium (MgCO₃), présents dans des sédiments et des roches calcaires ;
2. 39 000 Gt dans l’hydrosphère (masses d’eau océaniques essentiellement) : dioxyde de carbone (CO₂) dissous dans l’eau, hydrogénocarbonates (HCO₃^-), et carbonates (CO₃^2-) ;
3. 5 000 Gt dans la biosphère : dans la matière organique ;
4. 700 Gt dans l’atmosphère : dioxyde de carbone (CO₂) de l’air, dans lequel celui-ci se trouve en très petite quantité (0,04 %).

Les échanges entre ces quatre domaines sont permanents. Ils sont assurés par des mécanismes naturels (généralement nommés pompes) de nature physique (thermique) ou biologique (photosynthèse). Tous ces processus d’échanges (physiques, chimiques et biologiques) sont complexes, rendant difficiles les projections sur l’avenir.

Les populations humaines, par leurs activités, émettent dans l’atmosphère, chaque année, environ 8 Gt de carbone sous forme de CO₂. C’est une faible part du cycle annuel du carbone. Environ la moitié de ce CO₂ est captée par la biosphère et les océans, la moitié non captée s’accumule en continu dans l’atmosphère, contribuant à l’augmentation de l’effet de serre.

Bien que les incertitudes soient fortes dans ces estimations, il est possible de donner une idée de l’importance relative des différents puits. Sur l’ensemble du CO₂ d’origine anthropique capté, on peut attribuer au phytoplancton un tiers de l’absorption, un tiers aux végétaux chlorophylliens terrestres et aux algues non planctoniques et le dernier tiers à la dissolution dans les océans.

Dans les estimations relatives à la capture du carbone par la biosphère, il faut tenir compte, non seulement de la photosynthèse, mais aussi des carbonates entrant dans la composition des squelettes internes (os) et externes (coquilles) des animaux.

Le carbone du CO₂ fixé au cours de la photosynthèse est utilisé dans la formation de nouvelles molécules organiques. De ce point de vue, tous les végétaux chlorophylliens (phytoplancton, herbes, arbres, etc.) sont des puits de carbone. C’est pourquoi on favorise la plantation d’arbres à croissance rapide. Remarquons aussi que le bois, par ses différents usages (bâtiments, menuiserie, papeterie, etc.), est à lui seul un puits de carbone.

Actuellement, les puits de carbone terrestres suivent l’augmentation du CO₂ atmosphérique, mais l’incertitude reste grande pour l’avenir. En effet, les plantes stressées par les périodes de canicules et de sécheresse, n’absorbent pas autant de CO₂ pour la photosynthèse. Lorsque plantes ne disposent plus de suffisamment d’eau et de nutriments (notamment azote et phosphore) leur capacité d’absorption diminue et, avec les changements climatiques, ce type de stress risque d’augmenter. Par effet domino, au travers de l’impact sur le cycle du carbone, le taux de carbone atmosphérique augmente, l’effet de serre augmente, et le réchauffement atmosphérique s’accélère. Par effet retour, ce réchauffement enclenche une nouvelle baisse de la capacité d’absorption. En termes de développement durable, des mesures plus strictes sont donc nécessaires pour réduire nos émissions de CO₂ et limiter le réchauffement atmosphérique.

Dès que la matière organique se décompose (respiration et/ou fermentation), elle libère le CO₂, qui retourne à l’atmosphère (cycle du carbone).

En dehors du phytoplancton fixant le CO₂ par photosynthèse, l’eau elle-même est un immense puits de CO₂, en raison de sa capacité à retenir, sous forme dissoute, d’importantes quantités de gaz. Le CO₂ est plus soluble dans l’eau froide et lorsque les eaux tropicales de surface (chaudes) parviennent dans les hautes latitudes, elles se refroidissent, absorbent du CO₂ et plongent dans les grandes profondeurs. Plusieurs facteurs vont contrarier cette circulation :

1. le réchauffement atmosphérique conduit à un réchauffement des eaux de surface avec moins de dissolution de CO₂ ;
2. l’apport d’eau douce en Atlantique Nord (fonte des glaces continentales de l’Arctique), faisant baisser la salinité et donc la densité de l’eau de surface, ralentit la plongée de celle-ci.

Les spécialistes réfléchissent aujourd’hui à l’évolution possible de la capacité de stockage des océans. Certains pensent qu’elle aurait commencé à diminuer et que les océans libèreraient du CO₂. Les causes pouvant expliquer une telle évolution sont difficiles à cerner, tant elles sont complexes. Par ailleurs, le géo-ingénierie climatique cherche des solutions pour augmenter la séquestration du carbone océanique.

On remarquera que si toutes les enveloppes terrestres offrent des puits de carbone assez variés, la question de la séquestration exclut l’atmosphère, puisque l’objectif est justement de réduire la concentration atmosphérique en CO₂.

Par ailleurs, certains puits, une fois dépassés leurs niveaux de saturation, ne pourraient plus stocker de nouvelles quantités de carbone. De plus, les mégafeux, libèrent des quantités de carbone considérables, devenant des sources soudaines d’émission.

En outre, les puits de carbone artificiels n’en sont qu’au stade expérimental.