Fotosynteza to podstawowym biologiczny proces anaboliczny, polegający na wychwytywaniu kwantów promieniowania świetlnego przez barwniki fotosyntetyczne (głównie chlorofil) i przekształcenia ich energii w energię wiązań chemicznych. Można powiedzieć, że główne zadanie fotosyntezy sprowadza się do "wyprodukowania" z wody i dwutlenku węgla z udziałem światła jak największej ilości związków organicznych. Czyli można potraktować fotosyntezę jak zwyczajną reakcję chemiczną. W takim razie możemy tak przedstawić równanie tej reakcji:

C02 + H2O → C6H12O6 + O2

Miejscem, gdzie zachodzi fotosynteza w komórkach, są zielone ciałka - chloroplasty. U bakterii (zielonych i purpurowych są to specjalne struktury, które zwiemy chromatoforami czyli w przetłumaczeniu na polski "nośnikami barwników").

Fotosynteza jest skomplikowanym procesem, który dzieli się na dwie fazy. Pierwsza faza nazywa się fazą jasną fotosyntezy i zachodzi w strukturach zwanych granami, umieszczonych w chloroplaście tak jak spłaszczone pęcherzyki zebrane w stosy. Produktem fazy jasnej jest siła asymilacyjna, na którą składają się zredukowane przenośniki wodoru NADPH+H+ i energia zakumulowana jako ATP (adenozynotrójfosforan). Źródłem wodoru jest cząsteczka wody, a przebieg pierwszej fazy można zapisać następująco:

2H20 + światło → 4H+ + O2 + energia

Woda jest pobierana przez system korzeniowy, tlen natomiast roślina uwalnia do atmosfery w formie gazowej.

W błonie gran znajdują się barwniki asymilacyjne, do których należą: chlorofil a, chlorofil b, karoteny i ksantofile. Cząsteczki barwników zebrane są w "kępki", które nazywamy antenami fotosyntezy. W granach są obecne dwa rodzaje anten: P-700 i P-680.

Każda z tysięcy cząsteczek barwników wchodzących w skład anteny potrafi zareagować na padające światło, chociaż każdy rodzaj barwnika "odpowiada" tylko na właściwą dla siebie długość fali (np. na światło zielone lub niebieskie i czerwone). Odpowiedzią jest wzbudzenie cząsteczki mające postać drgań molekularnych. Na obszarze każdej anteny istnieje dokładnie jedna cząsteczka chlorofilu, która może przejąć od innych drgania, ale sama nie przekazuje ich dalej, natomiast wyrzuca elektron. Cząsteczka ta nazywa się centrum reakcji fotosystemu. Wybity elektron jest przechwytywany przez znajdujący się także w błonie granum plastochinon w przypadku anteny typu P-680 albo ferredoksynę w fotosystemach P-700. Są to białka zawierające atomy metali: ferredoksyna żelaza, plastochinon natomiast miedzi. Obydwa białka przekazują elektron dalej. Trafia ona na łańcuch białek zwanych cytochromami, zawierających żelazo. Podczas wędrówki elektronu z jednego cytochromu na drugi wytwarzana jest energia w postaci ATP.

Jeżeli elektron został wybity z fotosystemu P-700, wraca on z powrotem do centrum reakcji, z którego światło może wybić znowu elektron, cykl powtarza się i dopóki pada światło, produkowana jest energia. Mówimy, że zachodzi cykliczna fosforylacja fotosyntetyczna (fosforylacją jest produkcja ATP z ADP). Jeżeli elektron zostaje wybity z fotosystemu P-680, wtedy wraca on do fotosystemu P-700, a centrum reakcji P-680 otrzymuje elektron pochodzący z cząsteczki wody. Rozkład wody można przedstawić równaniem:

2H2O → 4H+ + 4e- + O2

Woda rozkłada się z udziałem fotosystemu P-680, dlatego proces ten nazywamy fotolizą wody (liza = rozkład). Elektron wybity z P-700 nie wraca do niego, lecz jest wyłapywany i łączony z protonem w cząsteczkę wodoru:

NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH+H+

Wodór jest transportowany przez przenośnik NADP do fazy ciemniej, która odbywa się w stromie chloroplastów (pomiędzy granami).

Początkiem fazy ciemnej jest karboksylacja, czyli dołączenie pobranego z atmosfery dwutlenku węgla do cukru o nazwie rybulozobisfosforan. Cukier ten zawiera 5 atomów węgla, a po dołączeniu kolejnego sześć. Dołączenie CO2 do cząsteczki organicznej jest procesem wymagającym energii z ATP. Związek sześciowęglowy jest bardzo nietrwały. Rozkłada się szybko na dwa cukry trójwęglowe. Są to cząsteczki kwasu fosfoglicerynowego, w skrócie PGA.

CO2 + RuBP → 6C → 2 PGA

Zachodzi teraz redukcja kwasu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, w skrócie PGAL. Niezbędna jest do tego siła redukcyjna w postaci siły asymilacyjnej NADPH+H+.

NADPH+H+ + ATP + PGA → PGAL

Część powstałego aldehydu uczestniczy w ostatniej fazie cyklu Calvina, regeneracji rybulozobisfosforanu. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy posiada trzy atomy węgla w cząsteczce, a więc jest triozą. Zatem, aby zregenerować trzy cząsteczki pięciowęglowego RuBP (3 razy 5), koniecznych jest pięć cząsteczek PGAL (5 razy 3). Wiadomo, że przyłączenie jednej cząsteczki dwutlenku węgla daje dwie cząsteczki PGAL. Trzy przyłączone cząsteczki CO2 to sześć PGAL, z tego 5 zużywa się na regenerację, a jedna pozostaje. Zbudowanie jednej cząsteczki glukozy (najważniejszego biologicznie cukru o sześciu atomach węgla) wymaga połączenia 2 cząsteczek PGAL, czyli asymilacji 6 cząsteczek CO2, więc rachunek się zgadza.

Oprócz glukozy z PGAL powstają inne związki organiczne, przede wszystkim kwasy tłuszczowe i tłuszcze, aminokwasy i kwasy organiczne. Glukoza stanowi produkt wyjściowy do syntezy fruktozy, sacharozy i skrobi. Aminokwasy budują złożone cząsteczki białek. Wielocukry stanowią substancje zapasowe, jak skrobia oraz budulcowe, jak celuloza. Do produktów fotosyntezy należą też olejki eteryczne pomarańczy, nektar, korek, guma i żywica, a ich rozmaitość jest tak wielka, jak wiele różnych ziół i znajdujących się w nich leczniczych, aromatycznych i barwnych związków.

U niektórych roślin, jak kukurydza i trzcina cukrowa, przebieg fazy ciemnej jest nieco zmodyfikowany. CO2 przyłącza się do kwasu fosfoenolopirogronowego (PEP), w wyniku czego powstaje czterowęglowy kwas szczawiooctowy, a później jabłkowy albo inne kwasy czterowęglowe. Od nich bierze się nazwa tego typu roślin, znanych jako rośliny typu C4. CO2 w formie kwasu jabłkowego może być magazynowany i uwalniany wówczas, gdy istnieją najbardziej sprzyjające warunki do fotosyntezy. Toteż rośliny typu C4 osiągnęły w porównaniu z resztą roślin określanych jako C3 wyższą wydajność asymilacji i tempo wzrostu. Proces Calvina odbywa się u tych roślin w komórkach pochew otaczających wiązki przewodzące (miękisz wiązkowy).