Występowanie Na Ziemi w naturze występuje w stanie gazowym w atmosferze, a także jako składnik gazów wulkanicznych i innych gazów podziemnych. Jest rozpuszczony i związany w wodzie oraz związany w skałach (np. jako składnik ). Jest częścią obiegu węgla w przyrodzie, jest produktem spalania i oddychania. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych, powstając w dużych ilościach w: gorzelniach, wytwórniach win, silosach zbożowych, browarach, biogazowniach.
Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy.
W atmosferze Ziemi thumb|Zależność stężenia dwutlenku węgla od czasu, zwane krzywą Keelinga Dwutlenek węgla występuje w powietrzu w śladowych ilościach (około 0,04%), ale odgrywa ważną rolę w efekcie cieplarnianym i jako źródło węgla do fotosyntezy. Całkowita masa dwutlenku węgla w atmosferze wynosi około 3 kg, tj. 3 biliony ton. Stężenie zmienia się sezonowo i w zależności od szerokości geograficznej, a także lokalnie, szczególnie w pobliżu ziemi. Koncentracja jest na ogół większa nad lądami niż nad oceanami, na półkuli północnej większa niż na południowej, na obszarach miejskich i w pobliżu miejsc spalania paliw kopalnych jest większa niż średnia.