Für die Photosynthese nehmen Bäume CO₂ aus der Atmosphäre auf und spalten das Treibhausgas in Kohlenstoff und Sauerstoff. Der Kohlenstoff wird in die Biomasse (Holz, Blätter, Nadeln…) in Form von Cellulose u. a. eingebunden und dort gespeichert.

Bei der Zersetzung des Holzes durch Mikroorganismen wie Pilze ebenso wie bei der Verbrennung wird der gespeicherte Kohlenstoff in Form von CO₂ wieder in die Atmosphäre freigegeben. Der Kohlenstoff und damit das CO₂ bleiben daher – vereinfacht dargestellt – über die Lebensdauer der Bäume gebunden. Wird das Holz als Rohstoff genutzt, erhöht sich die Speicherdauer um die Nutzungsdauer der Holzprodukte.

Am besten lässt sich das an einem Beispiel erläutern: 
Ein Holzwürfel mit einer Kantenlänge von 1 Meter hat ein Volumen von 1 m³ und ein Gewicht von ca. 500 kg. Holz besteht zu einem großen Teil aus Kohlenstoff, ungefähr die Hälfte des Gewichtes – also hier 250 kg – macht der Kohlenstoff aus. 
Wird das Gewicht des Kohlenstoffes mit dem Faktor 3,67 multipliziert, erhält man die theoretische Masse an CO₂, die ein Baum absorbiert hat, um diesen Holzwürfel zu bilden und die der Atmosphäre somit entzogen wurde. Im Fall unseres Holzwürfels sind das ca. 917 kg CO₂.
Zu berücksichtigen ist, dass diese Angaben Durchschnittswerte darstellen und je nach Baumart und Beschaffenheit des Holzes variieren.

In der lebenden Biomasse sind im Wald ca. 1.230 Mio. t Kohlenstoff gespeichert, das entspricht ca. 4.500 Mio. t absorbierten CO₂ und damit mehr als der fünffachen Menge der jährlichen deutschen Treibhausgasemission. Die Gesamtmenge des Kohlenstoffvorrats teilt sich in ca. 1.061 Mio. t Kohlenstoff in der oberirdischen Biomasse und ca. 169 Mio. t in der unterirdischen Biomasse auf. Durch die Zunahme des Holzvorrats werden jährlich zusätzlich 1,1 t Kohlenstoff (entspricht ca. 4,03 t CO₂) pro ha in lebender Biomasse gespeichert.

(Grafik: https://mediathek.fnr.de/kohlenstoffvorrat-in-wald-und-waldboden.html)

In deutschen Wäldern sind 34 Mio. t Kohlenstoff in abgestorbenen Bäumen oder Baumteilen – dem sogenannten Totholz – gespeichert. Pro Hektar Waldfläche sind das 3,1 t. Totholz kann je nach Zersetzungsgrad als Kohlenstoffspeicher dienen oder CO₂ freisetzen. Unzersetztes Totholz oder Holz mit beginnender Zersetzung ist ein Kohlenstoffvorrat im Wald. Mit fortgeschrittener Zersetzung oder stark vermodertes Totholz ist dagegen in der Nettobilanz eine Kohlenstoffquelle. Abgesehen vom Klimaschutz ist Totholz ein wichtiges Strukturelement für die biologische Vielfalt im Wald. 

(Grafik: https://mediathek.fnr.de/totholzvorrat-nach-zersetzungsgrad-2017.html)

Der deutsche Wald entlastete die Atmosphäre zwischen 2016 und 2020 jährlich um ca. 62 Mio. t CO₂. Das entspricht 8 % der jährlichen Treibhausgasemission von Deutschland. Von den 62 Mio. t CO₂ werden 56 Mio. t pro Jahr im Wald und 6 Mio. t CO₂ in Holzprodukten gebunden.

(Grafik: https://mediathek.fnr.de/klimaschutzeffekt-von-wald-und-holz.html)

Wenn Holzprodukte aus nachhaltiger Waldbewirtschaftung als Ersatz für klimaschädliche fossile Roh- und Brennstoffe dienen, wird dadurch CO₂ eingespart. Dieses sogenannte Substitutionspotenzial vervielfacht die Klimaschutzleistung des Waldes. Das genaue Substitutionspotenzial ist die Differenz zwischen dem Treibhausgasausstoß des ersetzten Stoffes und des stattdessen verwendeten Produktes. Das Thünen-Institut schätzt, dass durch das Ersetzen von energieintensiven Rohstoffen durch Holz jährlich CO₂-Emissionen in einer Größenordnung von ca. 28 Mio. t vermieden werden. 
Bei der Nutzung von Holz im Hausbau können bei Mehrfamilienhäusern die Emissionen um 18 bis 178 kg CO₂-Äquivalente pro m² Grundfläche reduziert werden, bei Ein- und Zweifamilienhäusern sogar um 77 bis 207 kg CO₂-Äquivalente pro m² Grundfläche. 

Junge Laub- und Nadelbäume im Alter von 21-40 (II. Altersklasse) absorbieren jährlich pro Flächeneinheit am meisten CO₂. Durchschnittlich werden ca. 4,4 t Kohlenstoff pro Hektar und Jahr in dieser Altersstufe von den Bäumen gebunden. Das entspricht ca. 16,2 t absorbiertes CO₂. Im Laufe der Zeit nimmt die Absorptionsrate kontinuierlich ab, sodass im Alter von 121-140 weniger als 2,5 t Kohlenstoff pro Hektar im Jahr aufgenommen werden. Dies hängt mit dem höheren Zuwachs der Bäume in jungen Jahren zusammen. Anders verhält es sich mit dem Kohlenstoffspeicher: Der im Baum gebundene Kohlenstoff nimmt mit dem Alter immer weiter zu, da der Baum an Masse gewinnt.

Wieviel CO₂ ein Baum in Form von Kohlenstoff binden kann, hängt im Wesentlichen von seiner individuellen Wuchsleistung ab. Aber es gibt gewissen Tendenzen, welche Baumarten mehr CO₂ aufnimmt und welche weniger. In der II. Altersklasse (21-40 Jahre) sticht besonders die Tanne mit einer jährlichen Absorptionsrate von über 25 t CO₂ pro ha hervor. Zum Vergleich: Buchen absorbieren im gleichen Alter jährlich 18 t und Eichen 16 t CO₂ pro ha. Bei gleichem Alter bindet die Buche auf den Hektar gerechnet ähnlich viel CO₂ wie die Fichte, obwohl die Buche insbesondere in jungen Jahren deutlich weniger Zuwachs aufweist.

(Grafik: https://mediathek.fnr.de/kohlenstoffvorrat-und-einbindung-im-wald-nach-baumaltersklassen.html)

Diese Verpflichtungen zum Schutz des Klimas ist Deutschland als Vertragsstaat der Klimarahmenkonvention und mit Inkrafttreten des Kyoto-Protokolls eingegangen. Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) ist zuständig für die jährlichen Nachweise zur deutschen Treibhausgasentwicklung. Die Daten der Treibhausgas-Emissionen Deutschlands lassen sich über das Umweltbundesamt abrufen.

Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) stellt in Zusammenarbeit mit dem Thünen-Institut die Daten für den Wald zur Verfügung. § 41a Abs. 3 des Bundeswaldgesetzes sieht vor, dass in den Jahren zwischen zwei Bundeswaldinventuren das Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung Daten zum Kohlenstoffvorrat des Waldes erhebt, um Verpflichtungen völkerrechtlicher Vereinbarung zum Schutz des Klimas zu erfüllen.