Фотосинтез є фотоавтотрофним процесом, що представляє собою комплекс реакцій поглинання, перетворення і використання світлових квантів в різних ендергонічних процесах. У ході фотосинтезу, що відбувається в тканинах зелених рослин, деяких бактерій і зелених водоростей за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофіл або бактеріохлорофіл) на світлі утворюються складні органічні речовини з простих сполук (вуглекислого газу та води).
Вперше процес фотосинтезу почав здійснюватися в клітинах ціанобактерій в архейську еру. В даний час найбільш примітивний тип фотосинтезу (безхлорофільний) відбувається у бактерій роду Halobacterium. Хлорофільний фотосинтез досконаліший за механізмом протікання реакцій. Так, аноксігенний хлорофільний фотосинтез властивий зеленим і пурпурним бактеріям. А оксігенний фотосинтез - джерело органічних речовин і кисню для всіх рослин, що мають хлорофіл, та потребують доступа атмосферного повітря для здійснення фотосинтезу. Існують певні стадії фотосинтезу: фотофізична, фотохімічна та хімічна. На першій стадії кванти світла поглинаються фотосинтетичними пігментами, які переходять в збуджений стан і передають енергію до наступних елементів фотосистеми. На фотохімічній стадії синтезуються носії енергії клітин - НАДФН та АТФ. Описані дві стадії об'єднують поняттям світлова фаза фотосинтезу. Третя хімічна стадія фотосинтезу може здійснюватися як на світлі, так і в темряві, тому її називають темнової фазою фотосинтезу. На цій стадії в ході біохімічних реакцій утворюються органічні сполуки при витрачанні енергії, запасеної в світловий фазі. У більшості випадків у процесі таких реакцій відбувається синтез вуглеводів (цукрів, крохмалю), рідше - білків.
Процес фотосинтезу відбувається в таких клітинних органелах, як хлоропласти. Завдяки досконалій будові фотосинтетичного апарату зелених рослин, забезпечується висока ефективність фотосинтезу. У клітинах зеленого листя рослин міститься в середньому від 20 до 100 хлоропластів, кожен з яких представляє собою відокремлену двомембранну структуру. Іноді хлоропласти спостерігаються в клітинах стебел і плодів, проте головним органом фотосинтезу є зелений лист рослини, завдяки особливостям своєї будови. Структурним компонентом хлоропластів є хлорофіл - зелений пігмент, який має здатність поглинати світло. Хлоропласт заповнений всередині стромою і пронизаний внутрішніми мембранами, з’єднаними між собою з утворенням тилакоїдів (плоских бульбашок), які прилягають один до одного, формуючи стопки (грани). У стромі утримується вуглекислий газ, та утворюються ферменти, що виступають як каталізатори хімічних реакцій темнової фази фотосинтезу, зокрема, фотосинтезу вуглеводів і білків. Світлова фаза фотосинтезу відбувається на внутрішніх мембранах тилакоїдів хлоропластів. Також в хлоропластах є такі структури, як ДНК, РНК (носії спадкової інформації) та рибосоми, які здійснюють синтез білка. У клітинах більшості водоростей фотосинтетична система - це хроматофори, які являють собою особливі внутрішньоклітинні органели, а в клітинах фотосинтезуючих бактерій - тилакоїди, що містять бактеріохлорофіл.