Im Rahmen der Photosynthese binden Pflanzen Kohlenstoff aus dem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid in ihrer Biomasse. Ein Teil dieses Kohlenstoffs wird von den Pflanzen zur Energiegewinnung selber veratmet (autotrophe Respiration) und wird auf diese Weise wieder als Kohlenstoffdioxid an die Atmosphäre abgegeben. Ein weiterer Teil gelangt mit der Zeit über den oberirdischen und unterirdischen Streufall in den Boden oder wird von Tieren aufgenommen. Diese veratmen wiederum einen Teil des Kohlenstoffs (heterotrophe Respiration). Der Rest des tierisch gebundenen Kohlenstoffs gelangt nach dem Tod des Tieres ebenso wie die Pflanzenstreu in den Boden. Dort wird die angesammelte tote organische Substanz im Rahmen einer Vielzahl unterschiedlicher Prozesse, die als Dekomposition und Mineralisierung beschrieben werden, von den Bodenorganismen umgesetzt (ebenfalls heterotrophe Respiration) und gelangt letztendlich wieder als Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Über lange Zeiträume betrachtet handelt es sich bei dem Kohlenstoffkreislauf in der Biosphäre also um einen weitgehend geschlossenen Kreislauf .
Wie viel Kohlenstoff in einem natürlichen System gebunden wird, hängt von der Menge des kontinuierlich neu gebundenen Kohlenstoffs (Biomasse-Wachstum), der Absterberate und der Umsetzungsgeschwindigkeit der toten organischen Substanz ab. Da es sich hierbei um ein Fließgleichgewicht handelt, ist auch der in landwirtschaftlichen Systemen maximal gebundene Kohlenstoff immer abhängig von dem aktuellen Landnutzungssystem und ändert sich, wenn sich das Landnutzungssystem ändert. Im Vergleich zu annuellen Ackerkulturen speichern Agroforstsysteme durch den zusätzlichen Einfluss der Gehölze mehr Kohlenstoff in der Biomasse, der Streuschicht und im Boden. Dieser Effekt bleibt bestehen, so lange das Agroforstsystem existiert. Werden eines Tages die Bäume gefällt und nicht ersetzt, sinkt die im System gebundene Kohlenstoff-Menge wieder auf das Niveau annueller Ackerkulturen ab (Quinkenstein et al., 2012).
Darüber hinaus spielt auch die Verwendung der Ernte-Erträge des Agroforstsystems eine Rolle, da der zuvor im Holz gebundene Kohlenstoff erst wieder frei wird, wenn das Holz verbrannt oder zersetzt wird. Bei der Verwendung des Holzes als Brennmaterial oder durch Belassen von Kronenmaterial auf der Fläche, wird der Kohlenstoff in der Regel bereits innerhalb weniger Jahre wieder an die Atmosphäre abgegeben. Allerdings wird bei Nutzung der Biomasse zur Energieerzeugung unter Umständen die Nutzung einer äquivalenten, mit fossilen Energieträgern erzeugten, Energiemenge vermieden, wodurch die zusätzliche Freisetzung von fossilem Kohlenstoff in die Atmosphäre verhindert wird. Durch die Nutzung von Holz in langfristigen Holzprodukten (z.B. in Möbeln oder Bodenbelägen) verlängert sich zudem die Kohlenstoff-Speicherdauer um die Nutzungsdauer der Produkte.
Je nach Art des Agroforstsystems, den lokalen Bedingung, der Bewirtschaftung, der Produkt-/Holznutzung und –verarbeitung nach der Ernte sind also unterschiedlich hohe Kohlenstoffspeichermengen und -dauern durch Agroforstsysteme möglich.