Fotosynteza zachodzi u rośli, glonów, sinic i w nieco innych wariantach u bakterii zielonych i purpurowych, tlenowych i beztlenowych. Z wyjątkiem fotosyntezy pewnych bakterii, proces ten składa się z dwóch faz. Pierwsza z nich wymaga światła i toczy się w błonie tylakoidów, pęcherzyków obecnych w ciałkach zieleni, albo zanurzonych w cytoplazmie bakterii. Faza druga przebiega w stromie chloroplastów lub cytoplazmie bakterii (sinic) i światło w niej nie uczestniczy. Tylakoidy chloroplastów są płaskimi pęcherzykami ułożonymi w "stosy monet", tzw. grana, przy czym im wyższa ranga taksonomiczna rośliny, tym uporządkowanie jest wyższe. Błony komórkowe tylakoidów zawierają zakotwiczone, ciasno ułożone cząsteczki barwników fotosyntetycznych, z których u roślin najważniejszy jest chlorofil a i b, karoteny i ksantofile. Cząsteczka chlorofilu zawiera jeden pierścień porfirynowy ze skompleksowanym pomiędzy czterema pierścieniami pirolowymi atomem magnezu (źródło barwy zielonej). W pierścieniu występują naprzemiennie wiązania pojedyncze i podwójne, umożliwiając wprawianie krążących elektronów w rezonans. Elektrony te związane są z pierścieniem jako całością, a nie z pojedynczymi jego grupami, dlatego chlorofil jest niezastąpiony w fotosyntezie. Długi węglowodorowy łańcuch tzw. fitolowy kotwiczy pierścień w błonie. Drobne różnice w budowie bocznych reszt pierścienia decydują o rodzaju chlorofilu i jego barwie. Karoteny i ksantofile należą do lipidów izoprenowych i pełnią rolę barwników pomocniczych fotosyntezy.

Faza jasna fotosyntezy (początkowa faza tego procesu) zachodzi, jak to zostało powiedziane, w błonie otaczającej tylakoidy. Wiążemy z nią dwa zjawiska biochemiczne, mianowicie: fotofosforylację i rozkład wody. Fotofosforylacja jest to produkcja ATP pod wpływem światła i chlorofilu. Rozkład wody (fotoliza) ma związek z transportem elektronów i protonów również pod wpływem światła. Cząsteczki barwników ułożone są w skupiska, tzw. anteny fotosyntetyczne (fotosystemy, PS). Tylko jedna z cząsteczek chlorofilu a w każdej antenie posiada zdolność przekazywania elektronu na łańcuch białek akceptorowych i zwana jest centrum reakcji fotosystemu. Pozostałe cząsteczki chlorofilu i innych barwników posiadają jedynie zdolność przechodzenia w stan wzbudzony pod wpływem światła i energię tego wzbudzenia przekazują następnie centrum reakcji. U roślin wyższych wyróżniamy dwa typy fotosystemu: PS I, którego centrum reakcji posiada maksimum absorpcji światła mierzone w długości fali światła najsilniej absorbowanego równe około 700 nanometrom (zwany P700), oraz PS II w którym ta wartość wynosi 680 nm (P680). Spektrum absorpcji barwników karotenowych i ksantofilowych dopełnia i uzupełnia spektrum chlorofilu, tak że rośliny mogą korzystać z wszystkich długości falowych wchodzących w skład światła słonecznego.

Fotony przekazują swoją energię ostatecznie do centrum reakcji fotosystemu. Z cząsteczki chlorofilu a wybijany jest elektron. Dla uproszczenia omówmy całe zjawisko na przykładzie jednego elektronu. Elektron trafia na pierwszy akceptor, którym jest zmodyfikowana cząsteczka chlorofilu. Ta przekazuje elektron dalej na białko ferredoksynę. Elektron może przepłynąć następnie przez łańcuch trzech białek: plastochinon, dwa cytochromy i plastocyjaninę. Stąd wraca do centrum aktywnego reakcji. Dopóki elektron nie wróci do centrum reakcji, antena fotosyntetyczna jest nieaktywna (nie dochodzi do wzbudzenia chlorofilu będącego w centrum reakcji, mówimy że jest on utleniony). Transport elektronu przez białka cytochromowe pociąga za sobą bezpośrednio produkcję ATP w chloroplaście, co jest istotą fosforyzacji fotosyntetycznej. Istnieje alternatywny szlak wybitego przez światło elektronu, a miejscem "rozwidlenia" obu szlaków (cyklicznego i niecyklicznego) jest ferredoksyna, która może zredukować przenośnik wodorowy NADP+ do formy NADPH + H+ poprzez wbudowanie elektronu w cząsteczkę wodoru. Tym samym elektron nie powraca do centrum reakcji PS I. Fotosysytem PS II ma zdolność dokonywania fotolizy wody H2O → 2H+ + 2e- + ½O2, jak również emisji elektronu pod wpływem światła, zatem uzupełnia brak w PS I i sam emituje elektron, który przepływając przez łańcuch cytochromowy dostarcza ATP. Produktem fotosyntezy niecyklicznej jest więc i ATP, i NADPH + H+. Produkty fazy jasnej to: tlen, ATP i zredukowane przenośniki wodoru, o ile nie są w pełni załadowane H2. Dwie ostatnie pozycje zwane są siłą asymilacyjną fotosyntezy, wykorzystywaną w kolejnych jej etapach.

Faza ciemna fotosyntezy przebiega na obszarze stromy chloroplastów. Jej rdzeń stanowi cykl reakcji biochemicznych zwany cyklem Calvina - Bensona. Do pierwszej reakcji potrzebny jest: CO2, pięciowęglowy cukier rybulozo-5-fosforan (RuBP) oraz siła asymilacyjna. Przyłączenie dwutlenku węgla do pentozy (czyli karboksylacja) daje cukier sześciowęglowy (heksozę). Katalizatorem tej reakcji jest enzym RuBisCO (karboksylaza RuBP). Przed rozpoczęciem reakcji RuBP ulega wzbogaceniu energetycznemu polegającemu na przekształceniu w rybulozo-1,5-difosforan. Ten związek staje się akceptorem CO2. Powstała heksoza szybko rozpada się na dwie cząsteczki trójwęglowe, kwas 3-fosfoglicerynowy (PGA). Z użyciem siły asymilacyjnej jako kolejny etap dokonuje się redukcja kwasu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego (PGAL), zwanego pierwotnym produktem fotosyntezy. Cząsteczka jego służy zarówno do dalszej syntezy cukrów, tłuszczów i aminokwasów, jak i regeneracji RuBP (bo jest to cykl Calvina). Regeneracja akceptora polega na odbudowie puli RuBP w proporcji: 6 cząsteczek 5-węglowych powstaje z 10 cząsteczek 3-węglowych. Tyle właśnie PGAL trzeba zużyć, aby odnowić 6 przenośników (czyli wbudować 6 cząsteczek CO2). Jeżeli pamiętamy, że cząsteczka glukozy ma 6 atomów węgla, to dla jej powstania koniecznych jest 12 obrotów cyklu Calvina. Podsumowując, fazy cyklu to: karboksylacja, redukcja i regeneracja.

Jeżeli pierwotnym produktem fotosyntezy jest trioza (jak PGAL), mówimy że rośliny są typu C3. Tu należy większość roślin, w tym wszystkie rośliny stref umiarkowanych i chłodnych. Istnieje grupa roślin, gdzie pierwotnym produktem fotosyntezy jest tetroza, a dopiero później trioza. Takie rośliny określamy jako C4 i zaliczamy do nich m.in. tropikalne trawy, trzcinę cukrową, kukurydzę. Cechuje je duża produktywność i przystosowanie do gorących i niezbyt wilgotnych stref klimatycznych. Rośliny typu CAM są bliższe C4 niż C3, wiązanie CO2 przebiega jeszcze inaczej, przystosowane są do jeszcze większej suszy i gorąca. Generalnie u roślin C4 i CAM dwutlenek węgla wbudowywany jest nietrwale w czterowęglową cząsteczkę kwasu jabłkowego lub innego kwasu organicznego, z której uwalnia się sukcesywnie. Roślina może absorbować CO2 w nocy, a prowadzić fotosyntezę w dzień w pełnym słońcu, bez konieczności otwierania aparatów szparkowych, co rozwiązuje problem transpiracji w miejscach suchych. Rośliny te mają ogromne tempo produkcji biomasy, jednak ich enzymy nie działają w klimacie chłodniejszym.

Tempo fotosyntezy zależy od szeregu czynników zewnętrznych. Światło podnosi efektywność fotosyntezy do pewnej granicy, powyżej której następuje rozkład chlorofilu. Brak chlorofilu lub niedorozwój chloroplastów w oczywisty sposób pozbawiają roślinę źródła pokarmu. Im więcej CO2, tym fotosynteza zachodzi szybciej. Konieczny jest dostatek soli mineralnych, zwłaszcza fosforu, azotu, żelaza i magnezu. Fotosynteza ma swoje optimum temperaturowe, jest mniej efektywna zarówno gdy jest zbyt chłodno, jak i gdy jest za gorąco (np. w zimie jest bardzo powolna w liściu świerka, ale ustaje zupełnie w gorące dni lata). W procesie fotosyntezy wytwarzany jest cały tlen, jakim oddychają zwierzęta i ludzie, a także pokarm dla ludzi i bydła, zboża, cukier, owoce, warzywa, olej roślinny, kauczuk, jedwab itd.