早在十九世紀末，人們就知道光合作用需要CO2和H2O，產物是糖和淀粉，但是對于CO2是如何被還原成碳水化合物的具體步驟尚不清楚。直到20世紀40年代中期，美國加州大學的卡爾文（M.Calvin）和本森（A.Benson）采用當時的兩項新技術：放射性同位素示蹤和雙向紙層析，以單細胞藻類作為試驗材料，用14CO2飼喂，照光從數秒到幾十分鐘不等，然后在沸騰的酒精中殺死材料以終止生化反應，用紙層析技術分離同位素標記物，以標記物出現的先后順序來確定二氧化碳同化的每一步驟。經十年的系統研究，在50年代提出了二氧化碳同化的循環途徑，故稱為卡爾文循環(The Calvin cycle)。由于這個循環中CO2的受體是一種戊糖(核酮糖二磷酸)，故又稱為還原戊糖磷酸途徑（reductive pentose phosphate pathway，RPPP）。這個途徑中二氧化碳被固定形成的最初產物是一種三碳化合物，故稱為C3途徑。卡爾文循環具有合成淀粉等產物的能力，是所有植物光合碳同化的基本途徑，大致可分為三個階段，即羧化階段、還原階段和再生階段。