Et molekyle der består af et kulstofatom og 2 oxygenatomer.
Under normal temperatur og tryk er kuldioxid en gas. Kuldioxid er en del af kulstofkredsløbet og findes normalt i en koncentration af 385 parts per million (ppm), det vil sige 385 CO2-molekyler for hver million luftmolekyler i atosfæren. Kuldioxid er den vigtigste drivhusgas efter vanddamp.
Den nøjagtige koncentration af kuldioxid i atmosfæren følger en årscyklus. Koncentrationen af kuldioxid falder således, når det er forår og sommer på den nordlige halvkugle, når planterne med deres fotosyntese forbruger gassen. Omvendt stiger koncentrationen igen i efteråret og om vinteren, når planterne går i dvale eller dør og nedbrydes.
Havene udgør det andet store reservoir af CO2 i kulstofkredsløbet. Der er således omkring 50 gange mere CO2 i havet, primært som kulsyre, end i atmosfæren. Det diskuteres stadig, hvilken rolle dette enorme reservoir har i klimaændringerne. Man ved dog, at havene kan rumme mindre CO2, når vandtemperaturen stiger. En bekymring er derfor, at havene i fremtiden vil kunne rumme mindre CO2. Hvis atmosfærens koncentration af kuldioxid derfor bliver højere, vil det hæve temperaturen endnu mere og yderligere mindske havenes evne til at optage CO2 i en positiv feedback mekanisme.
Både planter og dyr frigiver kuldioxid til atmosfæren og havene på grund af deres respiration. Nogle mikroorganismer producerer desuden kuldioxid ved gæring. I begge tilfælde oxideres kulstof fra organisk materiale, hvorved der produceres CO2.
Kuldioxid er via dets rolle i drivhuseffekten afgørende for at Jorden beboelig for mennesker og de fleste andre dyr og mange planter. I perioden siden industrialiseringen er mængden af kuldioxid i atmosfæren steget betydeligt. Denne stigning er menneskeskabt. Den resulterende forstærkning af drivhuseffekten menes at være den primære drivkraft bag den globale opvarmning.
Menneskets udledning af CO2 til atmosfæren sker ved brug af fossile brændstoffer. Når dette afbrændes frigives der CO2 og vand. Planter fjerner samme mængde CO2 fra atmosfæren i løbet af deres levetid, som de frigiver, når de bruges som brændsel. Fossilt brændstof frigiver derimod CO2, der ikke har været en del af kulstofkredsløbet i mange årtusinder. Brugen af biobrændsel er kulstof-neutralt, men det er brugen af fossilt brændstof ikke.
En mindre emission af kuldioxid er derfor et af de primære mål med den grønne omstilling. Kyoto-aftalen er et internationalt tiltag, der skal reducere udledningen af kuldioxid gennem handel med CO2-kvoter og CO2-afgifter. Det skal først og fremmest ske ved at mindske brugen af fossilt brændstof.
Vulkanaktivitet bidrager også med betydelige mængder CO2 til atmosfæren.