卡爾文等以小球藻作為實驗材料，在培養小球藻的溶液中加人14CO2或14CO32-，經過不同時間的光照，迅速將小球藻放進沸酒精中，使酶變性，利用雙向紙層析法將浸提液中的化合物分開，放射自顯影鑒定放射性碳在那些化合物中，根據光照的時間長短，找出化合物出現的順序，并測定放射性強度，從而確定數量。發現3-磷酸甘油酸羧基碳上，放射性最早出現，因此認為CO2同化過程的第步首先是羧化作用，即C2是CO2的接受體，他們對 C6糖上各碳原子的放射性進行測定，發現在第三、四碳原子上放射性最高。如果時間再延長，放射性在C6糖的各碳原子上基本相似。根據已知的生化反應，在醛縮酶作用下，2個C3糖縮合成C6糖。最后他們改變光暗變化，測定3-磷酸甘油酸及1,5-二磷酸核酮糖含量變化，結果由光轉入暗室3-磷酸甘油酸含量上升，1,5-二磷酸核酮糖下降，因為在暗中ATP和NADPH不能形成，致使3-磷酸甘油酸不能還原形成糖，而羧化作用又不需要能量，故3-磷酸甘油酸含量上升，當去掉光照使1,5-二磷酸核酮糖含量下降，因此推測它就是CO2接受體，由此提出了CO2同化途徑。
美國生物化學家卡爾文在二十世紀50年代中后期發現了有關植物光合作用的“卡爾文循環”，即植物的葉綠體如何通過光合作用把二氧化碳轉化為機體內的碳水化合物的循環過程。首次揭示了自然界最基本的生命過程，對生命起源的研究具有重要意義。卡爾文因此獲得了1961年諾貝爾化學獎。
卡爾文循環又稱光合碳循環是一種類似于Kerbs cycle的新陳代謝過程，其可使起動物質以分子的形態進入和離開這循環后發生再生。碳以二氧化碳的形態進入并以糖的形態離開Calvin cycle。整個循環是利用ATP作為能量來源，并以降低能階的方式來消耗NADPH，如此可增加高能電子來制造糖。從Calvin cycle中所直接制造出來的碳水化合物并不是葡萄糖，而是一種稱為glyceraldehyde 3-phosphate (G3P)的三碳糖。為了要合成一摩爾這種碳，整個循環過程必須發生三次的取代作用，固定三摩爾二氧化碳。卡爾文循環（Calvin Cycle）是光合作用的暗反應的一部分。